Provocările nanoştiinţelor şi nanotehnologiilor¹

Simion AŞTILEAN

Atunci când Neil Armstrong a pus piciorul pe Lună în anul 1969, acesta a declarat: „Iată un pas mic făcut de om şi un salt uriaş pentru umanitate".

În ultimele două decenii, în domeniul cercetării ştiinţifice, s-a făcut un pas pe scara nanometrilor, un pas infinit mai mic decât cel al lui Neil Armstrong pe Lună. Şi totuşi, acest pas are toate şansele să reprezinte la rândul lui un salt uriaş pentru cunoaştere, progres tehnologic şi implicit pentru întreaga societate.

Un nanometru (prescurtat 1 nm) reprezintă o miliardime dintr-un metru şi o milionime dintr-un milimetru. Prefixul nano este de origine grecească unde „nanos" însemnă „pitic". Pentru a ne face o idee corectă asupra acestei dimensiuni, să reţinem că diametrul unui fir de păr este în jur de 50 000 nm, o bacterie este de câteva mii de nanometri, dimensiunea celui mai mic tranzitor integrat care se găseşte în calculatorul nostru este în jur de 100 nanometri, iar un şir de 10 atomi de hidrogen (care este cel mai mic atom) măsoară cam 1 nm. Să reamintim că ochiul uman nu distinge detalii inferioare celor de 50 000 nm.

Aşadar, o parte din cercetarea ştiinţifică şi tehnologică s-a încoronat de câţiva ani cu prefixul nano şi se numeşte în consecinţă, nici mai mult nici mai putin, decat „nanoştiinţă şi nanotehnologie". Despre ce este vorba? În termeni oarecum savanţi, vom spune că nanoştiinţa se ocupă cu studiul proprietăţilor fundamentale de natură fizică, chimică şi biologică a unor entităţi sau structuri a căror dimensiune este de regulă cuprinsă între 1-100 nm, entităţi care sunt formate din câteva mii sau zeci de mii de atomi legaţi împreună. Nu este aşadar vorba de atomi izolaţi ci de ansamble şi structuri atomice (numite nanostructuri) în care numărul de atomi este desigur mare dar cu mult mai mic decât într-un corp macroscopic oarecare. Astfel de nanostructuri pot fi fabricate în laborator prin aşa zise procedee „de jos în sus", adică prin asamblarea atomilor şi moleculelor mici, sau prin procedee de „de sus în jos" care fac apel la tehnici de „sfărâmare" a corpului macroscopic în fragmente mult mai mici.

Nanotehnologia îşi propune să utilizeze şi să transfere rezultatele şi cunoştiinţele dobândite de nanoştiinţă în aplicaţii tehnologice şi dispozitive multifuncţionale şi super-miniaturizate. Miniaturizarea a fost dintodeauna o tendinţă tehnologică cu rădăcini în dezvoltarea firească a electronicii unde „mai mic" înseamnă „mai rapid", „mai ieftin" şi „mai economic". Dar ceea ce este cu adevărat de reţinut nu este o simplă chestiune de dimensiune, este ceva mult mai semnificativ, este tocmai posibilitatea ca prin reducerea dimensiunii (volumului) unei structuri artificiale să putem genera proprietăţi sau însuşiri care de fapt nu există în lumea micro sau macroscopică. În plus, este posibil să producem pe această cale un fel de „unelte şi sonde nanometrice" de dimensiune comparabilă cu dimensiunea structurilor naturale biologice (ADN, proteine, enzime, anticorpi) şi cu aceste unelte să fim capabili să le interogăm, înţelege şi deservi! Nanometrul devine aşadar un metru adecvat pentru a măsura atât nanostructurile artificiale cât şi cele naturale, existente în lumea vie. Nanoştiinţa şi nanotehnologia reprezintă punctul de convergenţă şi de interdisciplinaritate în ştiinţele naturii şi vieţii.

Proprietăţile fizice ale unui material, proprietăţi pe care le cunoaştem şi utilizăm în mod curent la scară macroscopică - de exemplu culoarea corpurilor sau trecerea curentului electric - nu se regăsesc întocmai dacă obiectele în cauză au dimensiune nanoscopică, şi asta chiar dacă la bază ele sunt alcătuite din exact aceiaşi atomi. Cu alte cuvinte, multe dintre proprietăţile fizice ale materialelor pot fi generate şi controlate într-un mod cu totul diferit decât prin tehnologii clasice, într un mod care face apel la tehnici şi procede de reducere a unei dimensiuni (volum). Cu alte cuvinte, pornind de la structuri nanometrice se pot produce dispozitive înzestrate cu funcţii inexistente la scara macroscopică. Precizăm că apariţia acestor noi proprietăţi în urma reducerii dimensiunii obiectului nu încalcă deloc legile fizicii, din contră, reprezintă o confirmare a acestor legi, în special a fizicii cuantice, a diferitelor efecte cuantice, cum ar fi dualitatea undă-corpuscul, efecte care devin dominante tocmai la dimensiune redusă. Să dăm un exemplu. Toată lumea cunoaşte cum arată aurul, acesta fiind un metal (nobil) cu luciu specific de culoare galbenă sau, mai precis, de culoare... aurie. Dacă luăm o monedă de aur şi o divizăm în două este evident că vom obţine două jumătăţi de aceeaşi culoare. Dacă repetăm această operaţie încă o dată, este fără îndoială că se vor obţine din nou bucăţi de culoare aurie. Şi totuşi...dacă efectuăm aceste operaţii de divizare de mult multe ori se va ajunge la un moment dat când fragmentele de aur obţinute sunt nanometrice şi nu mai au deloc culoarea aurie ci ... roşie. Da, aurul nanometric este roşu. Într adevăr, particulele de aur foarte fin divizate, numite nanoparticule sau nanocristale, îşi schimbă în mod substanţial proprietăţile optice în urma nanostructurării, adică interacţionează total altfel cu lumina decât o bijuterie în aur şi de aceea apar... roşii. La fel se întâmplă şi cu alte metale, în special argintul. În treacăt să spunem doar că vitraliile celebrelor catedrale nu sunt altceva decât exemple de produse nanotehnologice dintr-o epocă medievală sau chiar mai veche ! Coloristica vitraliilor ne arată că aurul sau argintul divizat până la nivel de nanoparticulă (10-100 nm) şi înglobat în sticlă nu mai este deloc auriu sau argintiu, ci roşu, galben sau albastru. Iată încă un alt exemplu. Toată lumea îşi aminteşte că trecerea curentului printr-un cablu electric trebuie să respecte o binecunoscută lege a fizicii (legea lui Ohm). Ei bine, nici această lege nu rezistă la testul pe „scara nanometrică". Conceptul de curent electric văzut ca fiind un flux de electroni care curg prin cablu precum apa printr-o conductă este total inoperant dacă firul are un diametru nanometric: printr-un astfel de fir nanometric electronii nu se mai supun legii lui Ohm, ei „aşteaptă" să le vină rândul să treacă unul câte unul într-un fel de şir indian... Şi exemplele ar putea continua.

Să reţinem însă faptul că legătura între dimensiunea nanometrică a materialelor şi modificarea fundamentală a proprietăţilor lor fizice şi chimice reprezintă cheia de boltă pentru nanoştiinţă şi nanotehnologie. Conceptul de a controla cantitatea, volumul şi forma substanţei la scară nanometrică şi atomică - concept pe care se bazează de fapt nanotehnologia - a fost prezentat public pentru prima dată de către Richard Feynman, un fizician celebru, premiant Nobel, într-o conferinţă ţinută la Caltech în 1959 şi intitulată „There`s Plenty of Room at the Bottom" sau „Există suficient spaţiu (pentru aplicaţii practice) la baza (scării lungimilor)" vezi http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html. Multă vreme nanotehnologia aparţinea de domeniul science-fiction din lipsa unor instrumente de cercetare adecvate. Nanotehnologia a prins avânt mai ales după anii 1990 odată cu comercializarea pe scară largă a unor microscoape speciale, cum sunt microscopul cu efect tunel şi microscopul de forţă atomică. De exemplu, microscopul cu efect tunel (STM scanning tunneling microscopy inventat în 1980 la IMB) permite nu numai vizualizarea atomilor dar şi deplasarea şi plasarea acestora la locul dorit pe un substrat.

Ce se aşteaptă de la nanotehnologii?

Nanotehnologiile vor avea un impact direct asupra tuturor sectoarelor economiei de la modul de producere a unei energii prin procedee curate la reducerea însăşi a consumului de energie, de la producerea de senzori nanoscopici la noi materiale cu aplicaţii medicale sau noi dispozitive pentru fotonică, electronică şi tehnică de calcul. Chiar dacă pe termen scurt nu îşi propune să realizeze un robot inteligent care să călătorească prin artere şi să le decolmateze de depunerile de colesterol (precum într-un binecunoscut roman science-fiction), nanotehnologia va avea în mod cert un impact benefic asupra tehnicilor de diagnostic şi tratament medical. De exemplu, anumite nanoparticule semiconductoare sau de metal nobil, în special aur, învelite în filme biomoleculare pot pătrunde în celule unde devin agenţi de contrast optic, adică un fel de beculeţe minuscule care luminează în interiorul celulelor. Este de aşteptat ca imagistica medicală să fie de acum înainte capabilă să vizualizeze şi să deceleze o tumoare incipientă cu o rezoluţie de doar câteva celule. Mai mult, prin aplicarea unei raze de lumină laser asupra acestor nanoparticule acestea pot încălzi local şi distruge termic doar ţesutul bolnav. Tratamentul diabetic va putea fi îmbunătăţit de asemenea prin injectarea unor nanoparticule polimerice inteligente, transportoare şi purtătoare de insulină, capabile de a se fixa în organism şi apoi a elibera în mod controlat doza de insulină în acord cu necesarul dictat de nivelul glucozei din sânge.

Deşi în multe domenii nanotehnologia urmează abia de acum înainte să-şi demonstreze beneficiile, există deja câteva produse nanotehnologice care se comercializează. Să amintim doar mingile de tenis de calitate (cele utilizate la ultima ediţie a cupei Davis) care au peretele interior căptuşit cu un amestec compozit făcut din polimer şi nanoparticule, amestec care împiedică pierderea aerului prin perete ceea ce face ca mingile să nu mai fie schimbate atât de des, unele ţesături şi îmbrăcăminte au deja eticheta „nano" fiind confecţionate din fibre şi structuri ramificate nanometrice, funcţionalizate, care nu numai că protejează termic dar pot reduce aderenţa petelor de vin sau cafea pe îmbrăcăminte. Există de asemenea geamuri şi parbrize care utilizează energia solară pentru a desprinde şi elimina de pe suprafaţă orice urmă de murdărie, menţinându-se perfect curate timp îndelungat, sau noua generaţie de cosmetice, loţiuni şi ecrane solare pe bază de nanoparticule de oxid de zinc etc.

În concluzie, nanotehnologiile au un potenţial aplicativ uriaş care poartă germenul unei noi revoluţii industriale cu profunde transformări în societatea viitorului.

Nanotehnologiile între speranţă şi temeri

Care ar fi problemele pe care nanotehnologiile le-ar putea genera în următoarele decenii? Deşi se invocă şi demonstrează potenţialul pozitiv al nanotehnologiilor asupra îngrijirii sănătăţii, conservării şi reabilitării mediului, o îngrijorare crescândă apare legată de gradul de toxicitate pe care o au totuşi unele nanoparticule semiconductoare şi nanotuburile de carbon asupra structurilor naturale (biologice). Abilitatea unei nanoparticule de a pătrunde într-o celulă poate fi utilizată în mod controlat pentru a vehicula un medicament într-un loc specific dar, în acelaşi timp, utilizată în mod accidental poate provoca leziuni şi perturbări în procesele şi structurile intracelulare. De asemenea, de exemplu, unele nanomateriale pot fi utilizate cu succes pentru filtre eficiente de apă potabilă, dar în cele din urmă pot contamina solul şi apa. Unele nanoparticule semiconductoare (quatum dots) nu numai că sunt toxice prin ele însele, dar fac apel la metode de sinteză dăunătoare pentru mediu sau cu risc ridicat. Este întrucâtva de aşteptat că nu toate realizările nanotehnologice vor avea în viitor un impact pozitiv. Istoria s-ar putea repeta ca în cazul unor produse care iniţial au fost foarte bine acceptate de societate, dar care ulterior au fost interzise prin lege (DDT, freon, azbest).

În acelaşi timp, nanotehnologiile ridică unele probleme de etică şi de aceea vor fi prinse în curând în focul unor dezbateri publice aprinse, precum a fost cazul cu energia nucleară şi ingineria genetică. Este cunoscut faptul că orice progres ştiinţific cuprinde implicit şi reversul medaliei sale... Este de aceea de aşteptat ca nanotehnologiile să genereze întrebări mult mai sensibile decât să zicem descoperirea unui nou element chimic, a unei noi planete sau a unei noi reacţii termonucleare. Să ne imaginăm doar pentru o clipă fapul că într-un viitor nu prea îndepărtat nanoelectronica ar fi capabilă de a crea inteligenţă artificială cu ajutorul calculatoarelor cuantice pe bază de structuri ADN. Iar dacă această realizare are şansa să se producă, atunci nu am fi oare îndreptăţiţi să ne întrebăm de pe acum care ar fi statutul acestei inteligenţe? Ce drepturi şi privilegii ar trebui să-i fie atribuite? În măsura în care interfaţa „între om şi maşină" va deveni atât de perfectă încât cele două să nu se poată diferenţia, atunci care va fi viitorul umanităţii?

Iată aşadar o perspectivă destul de provocantă şi, desigur, deocamdată destul de îndepărtată pe care o oferă nanotehnologia. Este clar că în planul analizelor de evaluare această perspectivă presupune multidisciplinaritate, după cum presupune interdisciplinaritate în planul activităţii curente de cercetare ştiinţifică. Este de aceea cu siguranţă nevoie de contribuţia filozofilor, teologilor şi juriştilor pentru a elabora reflexii pertinente asupra subiectului.

Este clar faptul că pe măsură ce nanotehnologiile se vor impune ca sursă de progres economic, vor apărea acute probleme de etică, legislaţie şi responsabilitate civilă. Este de presupus că dezvoltarea nanotehnologiilor va avea implicaţii sociale şi geopolitice. Unele aspecte globale nu vor fi cu totul noi dar ele vor deveni şi mai presante. Aceasta deoarece accesul unei societăţi la un concept de „industrializare bazată pe nanotehnologizare" nu se va putea face în nici o ţară din lume fără costuri şi investiţii imense: investiţie în educaţie, investiţie în infrastructură de laborator şi infrastructura tehnologică şi industrială, respectarea unei legislaţii specifice etc. Înainte de toate însă nanotehnologiile pot conduce pe termen mediu la o nouă reorganizare a sistemului de educaţie pentru a asigura convergenţa reală a ştiinţelor naturii în formarea individului. Ce alte argumente ar trebui aduse pentru ca o societate să-şi susţină investiţiile în programele de cercetare în domeniul nanotehnologiilor decât însăşi consecinţele pe care le-a avut prima revoluţie industrială asupra divizării ulterioare a ţărilor lumii?

Este aşadar fără îndoială limpede faptul că în ultimii ani nanoştiinţele şi nanotehnologiile au cunoscut un adevărat boom de atractivitate şi publicitate favorabilă. Aceasta pentru că nanoştiinţele şi nanotehnologiile au fost asociate în primul rând cu inovaţia şi progresul în sfera cunoaşterii şi a tehnologiei. Pe de altă parte, odată cu creşterile de buget alocate cercetării pe această temă s-a ajuns chiar la o utilizare inflaţionistă a termenilor de nanoştiinţă şi nanotehnologie, inflaţie nu lipsită de riscuri pentru cercetarea însăşi. În primul rând, pentru că s-au putut astfel exclude de la finanţări o mulţime de alte activităţi de cercetare interesante şi utile în fizică, biologie, chimie, inginerie şi microtehnologie care nu se regăsesc neapărat pe scara nanometrică, şi care prin urmare nu au fost percepute ca fiind atât de revoluţionare şi generatoare de progres precum nanoştiinţele şi nanotehnologiile. În al doilea rând, pentru că a crescut în mod evident şi riscul alocării de resurse financiare unor cercetări declarate „nano" doar de faţadă, care în fapt nu aparţineau în mod autentic sferei nanoştiinţelor şi nanotehnologiilor.

1 Text preluat cu acordul autorului din revista clujeană Verso, an 2, nr. 12-13 (feb. - mart.) 2007 şi nr. 14-15 (mart.-apr.) 2007.

SIMION AŞTILEAN