Panie profesorze, czym jest nanotechnologia?

Nanotechnologia obejmuje różne dziedziny nauki. To nie tylko fizyka, ale także chemia, inżynieria materiałowa, inżynieria mechaniczna, czyli wszystkie te, które zajmują się obiektami o rozmiarach rzędu pojedynczych atomów, cząsteczek, ewentualnie cząsteczek w rozmiarach nieprzekraczających 100 mikrometrów. To jest umowna granica. Dla lepszego zobrazowania: jeżeli grubość ludzkiego włosa wynosi ok.100 mikrometrów, to ja się zajmuję obiektami, które są co najmniej 100 razy mniejsze.

Gołym okiem tego nie zobaczymy.

Nie, ale mamy do tego narzędzia, np. mikroskop sił atomowych, który pozwala zobrazować pojedyncze atomy. Jego działanie w gruncie rzeczy opiera się na tej samej zasadzie, co gramofonu. Na płycie gramofonowej sygnał jest zakodowany w postaci bruzd. Kiedy przejeżdża igła, to drga. W ten sam sposób działa również ten mikroskop, tylko w dużo mniejszej skali.

Dlaczego zainteresował się pan nanotechnologią?

To obszar nauki, który jest bardzo odległy od naszej intuicji. Większość zjawisk, które znamy z naszego codziennego życia, po zmianie skali – czy to czasowej, czy przestrzennej – nie jest ich zmniejszoną wersją, ale przebiega zupełnie inaczej. Na przykład weźmy kamień. Jeżeli go puścimy, to spadnie i uderzy o podłoże z dużym hukiem. Weźmy jednak ten sam kamień i go drobno sproszkujmy. Jest to dalej ta sama materia, ale ten pył potrafi się swobodnie unosić przy byle powiewie wiatru, choć zmieniła się tylko wielkość cząstek, a nie ich skład. W świecie nanotechnologii obowiązuje ta sama fizyka, ale rządzi się innymi regułami, których nie znamy z życia codziennego. Te zjawiska musimy opisywać przy pomocy mechaniki kwantowej, która jest zupełnie nieintuicyjną teorią.

Dlaczego?

W mechanice kwantowej obowiązują różne, na pozór dziwne, zasady. Na przykład nie możemy w tym samym momencie wyznaczyć położenia i prędkości cząsteczki. Jeżeli bardzo dobrze znamy położenie cząsteczki, to jej prędkość jest obarczona dużą niepewnością. A jeżeli wiemy, że w pudełku jest jakaś cząstka o znanej nam prędkości, to nie wiemy, gdzie ona jest. W naszym świecie, kiedy ktoś jedzie za szybko, to policjant powie mu, że w tym momencie jechał z taką (określoną) prędkością. W świecie mechaniki kwantowej tego typu proces byłby niemożliwy do przeprowadzenia. I takich wielkości jest wiele. Przykładowo czas i energia. Im większa energia cząsteczki, tym krótszy czas jej życia. W związku z tym w świecie kwantowym mówimy o cząstkach wirtualnych, które się pojawiają i znikają, zanim zdążymy je dostrzec. Ich czas życia jest krótki, ale za to ich bardzo duża energia potrafi w silny sposób oddziaływać i zmieniać otoczenie w swoim sąsiedztwie.

Jest to trudne do wyobrażenia.

To jest największy problem. Gdybyśmy z tymi regułami wzrastali od małego, to prawdopodobnie traktowalibyśmy je jak wszystkie inne, a tak, nie potrafimy ich sobie wyobrazić. Próbujemy klasyczne zjawiska przekładać na skalę nano, a one tak nie działają i czasami dochodzi do różnych absurdów. Uważa się, że rewolucja nanotechnologiczna to koło zamachowe czwartej fali rewolucji przemysłowej. Wcześniej były to np. powstanie maszyny parowej, później rozwój kolei, przemysłu tekstylnego, samochodowego, komputerowego. Teraz mamy nanotechnologię. Mniej więcej równolegle rozwija się jeszcze rewolucja związana ze sztuczną inteligencją.

Od jak dawna mamy do czynienia z nanotechnologią?

To nie jest wynalazek ostatnich lat. Samo pojęcie nanotechnologii pojawiło się pod koniec lat 50. ubiegłego wieku. Richard Feynman, amerykański fizyk, noblista, wygłosił w 1959 r. słynny wykład w siedzibie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego pt. „There’s a Plenty of Room at the Bottom”. W wolnym tłumaczeniu oznaczało to, że jest jeszcze wiele do zrobienia i odkrycia tam na dole, w świecie atomów i cząstek elementarnych. Wykład ten uważa się obecnie za pierwsze rozważanie na temat nanotechnologii. Feynman popuścił wtedy wodze fantazji – co naukowcom rzadko się zdarza, a to przecież był jeden z największych fizyków XX w. – i powiedział, że w ciągu najbliższych lat dokona się rewolucja naukowa związana z miniaturyzacją, dzięki której powstanie np. zapis wszystkich woluminów w bibliotece Kongresu USA na jednym płatku krzemu wielkości paznokcia. Mówił, że pojawią się maszyny – roboty wielkości ziarnka piasku, które będzie można wprowadzać do ludzkiego organizmu, aby od środka naprawiały organizm, jak to robią limfocyty.

Dużo się nie pomylił.

Może szczegółów nie przewidział, natomiast główny trend wszystkich zmian, które później się dokonały, bardzo dobrze przedstawił. To było ponad 70 lat temu i wówczas to była ciekawostka, bo o ile wiedziano, jak opisywać mechanikę kwantową, o tyle nie było jeszcze narzędzi, żeby ją wykorzystać. Pierwszy istotny przełom dokonał się w latach osiemdziesiątych, kiedy powstał pierwszy mikroskop sił atomowych – którego twórcy otrzymali nagrodę Nobla. Innym narzędziem, które powstało trochę wcześniej, był skaningowy mikroskop tunelowy. To były pierwsze urządzenia, przy pomocy których można było zobaczyć pojedyncze atomy oraz – co było jeszcze ważniejsze – badać strukturę powierzchni w skali nano i manipulować atomami. Na okładce „Nature” pojawiło się wówczas słynne zdjęcie, na którym naukowcy z laboratoriów IBM stworzyli napis reklamujący firmę z pojedynczych atomów. Można ten rysunek łatwo znaleźć w internecie. Każda z tych kropek to był pojedynczy atom ustawiony przy pomocy igły, która łapała atomy jak dźwig na budowie i ustawiała we właściwym miejscu. To był znaczący postęp, bo można już było zacząć tworzyć nowe materiały.

Co to były za materiały?

Pierwsza generacja nanomateriałów była całkowicie pasywna. Spełniały one role np. pokryć ochronnych czy warstw przewodzących, ale ich struktura była nanoziarnista. Kiedy przyszła druga generacja, zaczęły powstawać urządzenia aktywne, np. czujniki chemiczne, które reagowały na zmianą oporu elektrycznego, pojawienia się gazów w ich otoczeniu. Trzecia generacja to już były przyrządy, w których nanocząsteczki w pewien sposób układano, żeby wprowadzić porządek, wymusić określone korzyści. Dzięki temu materiał wzdłuż różnych osi mógł zachowywać się inaczej. Ostatnia, czwarta generacja, to z kolei układy, w których uporządkowanych nanocząstek jest na tyle dużo, że uzyskujemy efekt synergii i emergencji. Oznacza to, że pojawiają się nowe jakościowo cechy układu, które nie wynikają bezpośrednio z właściwości jego elementów. Mówiąc w dużym skrócie – dwa plus dwa to nie jest cztery. Możemy to odnieść też do ludzkiego organizmu. Jesteśmy stworzeni z atomów, ale dlaczego ich odpowiednia kombinacja, uszeregowanie pozwala dojść do takiego stopnia skomplikowania jak organizmy żywe? Tego nie dowiemy się z prostych reguł działania pojedynczych atomów. To tajemnica natury, ale idziemy w tym kierunku, aby tę zagadkę rozwikłać. To obecnie najbardziej popularny trend w badaniach – zjawiska w układach złożonych.

W „Wieczorynce naukomanów” na antenie Radia UWM FM prowadzi pan różne rozważania na temat przyszłości, poruszając zagadnienia z szeroko rozumianej fizyki, astronomii, nowych technologii. Powiedzmy zatem, jak może wyglądać ta nasza technologiczna przyszłość.

Przyszłość w zasadzie zawsze jest niewiadomą, bo gdy popatrzymy, jakie kilkadziesiąt lat temu były przewidywania dotyczące tego, co będzie teraz, to widzimy, że można to przewidzieć, ale szczegóły dosyć mocno odbiegają od tego, co się faktycznie realizuje. Np. wcześniej wspomniany Feynman lub patrząc bliżej – Lem, który mówił, że w przyszłości będą wideofony, przy pomocy których będziemy się komunikować. Mamy telefony komórkowe, niby to samo, a jednak inaczej zrealizowane. Zatem trudno powiedzieć, w jakim kierunku zmierza przyszłość. Rozwój sztucznej inteligencji jest tak intensywny, że już teraz przejmuje coraz więcej obszarów naszej rzeczywistości. Jest to samo z siebie neutralne, ale może być w różny sposób wykorzystane, bo w tym przypadku człowiek jest najsłabszym ogniwem. Są ludzie, którzy mogą to wykorzystać do niecnych celów.

Puśćmy zatem wodze fantazji.

Każdy z nas ma telefon komórkowy, bez którego już praktycznie nie wyobrażamy sobie życia. Prawdopodobnie w przyszłości nasze ciało będzie w jakiś sposób zintegrowane z telefonem, np. przy pomocy chipa wszczepianego tuż po urodzeniu. Nie będzie już możliwości, aby odłożyć telefon i odciąć się od sieci, a to z kolei mogłoby być zagrożeniem, gdyby ktoś chciał nas kontrolować. I to w zasadzie już się dzieje. Są urządzenia, które pozwalają sparaliżowanym ludziom komunikować się z otoczeniem przy pomocy fal mózgowych, czytają nasze myśli. To kwestia czasu, kiedy to zostanie zintensyfikowane.

A nanotechnologia?

Idziemy już w kierunku tworzenia nanobotów. Czyli to, co przewidział Feynman. Maszyny zbudowane z pojedynczych cząsteczek zasilane falami elektromagnetycznymi. Prace są bardzo mocno zaawansowane. Przy pomocy nanotechnologii powstają substancje, które są znacznikami w diagnostyce medycznej, aby poprawić jakość sygnału i obrazowania. Te znaczniki często są substancjami toksycznymi dla organizmu, więc tę aktywną cząsteczkę zamyka się w kapsułce, która jest wydalana, nie będąc w żaden sposób trawioną. Inny przykład to leki celowane. Kapsułki są skonstruowane w taki sposób, aby otworzyć się w określonym miejscu. To już się dzieje i pozostaje jedynie kwestia tego, jak bardzo w przyszłości będzie to zaawansowane.

Można powiedzieć, że miniaturyzacja to przyszłość.

Mamy już drony wielkości owadów, a w nich małe kamery. Pierwsze zastosowanie, które przychodzi do głowy, to wojsko. Można takim dronem niezauważalnie gdzieś dolecieć, przesłać sygnał, ewentualnie coś zrobić. Nanodrony już się robi. Nie tylko latające, ale i pełzające. Zatem ta nanotechnologia jest już bardzo zaawansowana. Ostatnio czytałem artykuł o tym, że Szwajcarzy przeprowadzili próby stworzenia nekrobotów, czyli połączyli nanotechnologię i biologię. Wykorzystali do tego egzoszkielety różnych skorupiaków. W skorupę, czyli ten egzoszkielet, wprowadzili materiały, które miały wymusić ich ruch. Nie jest to nanotechnologia sensu stricte, bo są to obiekty makro, ale wykorzystano też inżynierię materiałową, która opiera się m.in. na osiągnięciach nanotechnologii. Jednym z najbardziej spektakularnych wyników tych badań było to, że taki egzoszkielet o masie kilku gramów był w stanie unieść ciężar 200-krotnie przekraczający jego masę. Takie egzoszkielety potrafią też się przemieszczać, chwytać i manipulować przedmiotami.

Czy zatem człowiek w przyszłości będzie do czegoś potrzebny?

Człowiek zawsze będzie potrzebny. Ani roboty, ani sztuczna inteligencja nie załatwią za nas wszystkiego. Muszą być elementy wykonawcze. Póki co jesteśmy jeszcze na takim etapie, że można tę przysłowiową wtyczkę wyciągnąć i to wyłączyć. Wracając jeszcze do przyszłości, myślę, że z wielu rzeczy, które już są w laboratoriach, nie zdajemy sobie sprawy. Często są to badania tajne, prowadzone np. dla wojska. Podobnie dzieje się w biznesie. Powstają nowe generacje mikroprocesorów, układów scalonych itp. To jest rynek wart grube miliardy dolarów, więc liderzy nie chcą się dzielić swoimi dokonaniami. Takim przykładem jest spółka córka holenderskiego Philipsa – ASML, która jako jedyna potrafi wytworzyć układy największego stopnia scalenia. Między innymi Chińczycy próbowali to skopiować, ale im się nie udało, bo jak to się mówi, „diabeł tkwi w szczegółach”. I tu jest niestety niebezpieczeństwo, że będą się tworzyć monopole. Zatem wszystko zależy od ludzi, producentów, ale i użytkowników, jak tę technologię wykorzystamy.

Rozmawiała Sylwia Zalewska

Dr hab. Sławomir Kulesza, prof. UWM z wykształcenia jest fizykiem. Obecnie pracuje w Katedrze Mechatroniki na Wydziale Nauk Technicznych. Wcześniej związany z Wydziałem Matematyki i Informatyki UWM. Zajmuje się badaniem zjawisk fizycznych zachodzących w nanoskali. Jest pasjonatem eksperymentowania. Na antenie Radia UWM FM prowadzi autorski program „Wieczorynka naukomanów”, podczas którego popularyzuje nawet najtrudniejsze problemy naukowe, dzieli się wiedzą na temat nowinek technologicznych i zastanawia się, co czeka ludzkość w przyszłości w związku z rozwojem techniki.

Tekst ukazał się w styczniowym numerze „Wiadomości Uniwersyteckich", którego tematem przewodnim jest „Jutro". Naukowcy z UWM śmiało spoglądają w przyszłość i pracują nad tym, by czynić ją lepszą. Wspólnie z naszymi rozmówcami przypominamy więc, że na jutro nie należy odkładać troski o zdrowie... i emeryturę, a także zastanawiamy się, czy czeka nas kwantowa przyszłość. 

Piszemy też o sukcesach naszej społeczności oraz wydarzeniach, którymi żył Uniwersytet. Wszystkie wydania „Wiadomości Uniwersyteckich" znajdują się >>> na stronie UWM.