''Εάν κοιτάξεις προς το μέλλον, το πεδίο της Νανοτεχνολογίας κινείται με μεγάλη ταχύτητα, από τα απλά παθητικά εξαρτήματα όπως οι νανοσωλήνες, τα νανοσωματίδια και οι κβαντικές κουκίδες προς στη μελέτη των ενεργών νανοσυστημάτων. Όμως αρχίζουμε να βλέπουμε ερευνητικά αποτελέσματα που καθιστούν την ολοκλήρωση αυτών των νανοσυστημάτων εφικτή για τη χρήση τους σε πολλές εφαρμογές. Αρχίζουμε να αναπτύσσουμε νανοσυστήματα τα οποία αποτελούνται από νανοσκοπικά υλικά έως και μόρια ή μακρομόρια που λειτουργούν ως νανοσυστήματα από μόνα τους. Στο σημείο αυτό, θα μετακινηθούμε στο πεδίο της Μοριακής Νανοτεχνολογίας.''
Dr. Mihail Roco, Ιδρυτής της επιτροπής Επιστήμης, Τεχνολογίας και Μηχανικής της Νανοκλίμακας (Nanoscale Science Engineering and Technology-NSET) του National Science and Technology Counsil (Εθνικό Συμβούλιο Επιστήμης και Τεχνολογίας) των ΗΠΑ και Σύμβουλος Νανοτεχνολογίας του Αμερικανικού Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (National Science Foundation). Κύριος Αρχιτέκτονας και Εισηγητής του National Nanotechnology Initiative.
Οι 4 Γενεές της Δόξας του Απόλυτα Μικρού
Όπως έχω αναφέρει σε προηγούμενο άρθρο μου (στο ''Η Μοριακή Νανοτεχνολογία και το ''Μοριακό'' Μέλλον της Ανθρωπότητας''), η Νανοτεχνολογία είναι ένα σύγχρονο επιστημονικό και τεχνολογικό σώμα γνώσης και οπλοστάσιο εφαρμογών που αναδύεται από τη σύγκλιση των επιστημών της Φυσικής, της Χημείας, της Ιατρικής, της Βιολογίας, της Επιστήμης των Υπολογιστών και των Επιστημών του Μηχανικού (Engineering). Η εξελικτική πορεία της Νανοτεχνολογίας, δρομολογείται στα χαρακτηριστικά και στη λειτουργικότητα των δομών και των συστημάτων που θα κατασκευαστούν ή που σκοπεύεται να κατασκευαστούν από τους επιστήμονες και μηχανικούς τις επόμενες 3 δεκαετίες που ακολουθούν από σήμερα.
Ο Καθηγητής Νανοτεχνολογίας Dr. Mihail Roco
Ο Καθηγητής Dr. Mihail Roco, αρχιτέκτονας και ιδρυτής του National Nanotechnology Intitiative το 1999, επί προεδρίας Bill Clinton, παρουσίασε στο Λευκό Οίκο ένα πρόγραμμα μελλοντικής ανάπτυξης των καινοτομιών της Νανοτεχνολογίας (νανοδομές και νανοσυστήματα), χωρίζοντας χρονικά, δομικά, λειτουργικά και σε επίπεδο ολοκλήρωσης και πολυπλοκότητας, τα εκάστοτε νανοσυστήματα που θα αναπτυχθούν από τις αρχές του της δεκαετίας του 2000 μέχρι και τα τέλη του 2030 ή σύμφωνα με σύγχρονους Μελλοντολόγους (Φουτουριστές) μέχρι και τα μέσα του 2040.
Πρόκεται λοιπόν για 4 γενεές λειτουργικών και νανοδομών και νανοσυστημάτων (Functional and Productive Nanostructures and Nanosystems) που δρομολογούνται κατά αύξουσα χρονολογική κλίμακα με ρυθμό που διέπεται αρχικά από σταθερότητα και συνεχίζει με ρυθμό Eκθετικής Eπιτάχυνσης (Exponential Acceleration).
Πρώτη Γενεά Νανοσυστημάτων: Παθητικές Νανοδομές (Passive Nanostructures)
Πρόκειται για νανοδομές των οποίων οι ιδιότητες προέρχονται καθαρά από τις φυσικοχημικές, θερμικές, οπτικές και ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του υλικού από το οποίο δομούνται, του οποίου η συμπεριφορά ανάδειξης των παραπάνω ιδιοτήτων γίνεται με εξωτερικό έλεγχο της νανοδομής αυτής από κάποιον άλλο παράγοντα όπως πχ. τον ίδιο τον επιστήμονα που ελέγχει τις ιδιότητες και συνεπώς την φυσικοχημική συμπεριφορά του υλικού. Ένα παράδειγμα είναι όταν ο επιστήμονας ή μηχανικός εκθέτει τα νανοσωματίδια σε υπεριώδη ακτινοβολία ή ακτινοβολία laser κι αυτά με τη σειρά τους, λόγω της επίδρασης της ακτινοβολίας παράγουν θερμότητα, ηλεκτρομαγνητικά πεδία ή αλλάζουν χρώμα λόγω αλλαγής του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπουν μέσω του Φαινομένου Κβάντωσης Μεγέθους που συμβαίνει στις κβαντικές κουκίδες.
EIKONA 1. Κβαντικές Κουκίδες ή Κβαντικές Τελείες (Quantum Dots). Τα κυλινδρικά δοχεία που φωσοφορίζουν τα χρώματα αυτά περιέχουν κβαντικές κουκίδες το καθένα και από ένα συγκεκριμένο διαφορετικό μέγεθος. Οι κβαντικές κουκίδες είναι Παθητικές Νανοδομές οι οποίες, εκπέμπουν διάφορα χρώματα βαση μεγέθους τους. Με βάση το Φαινόμενο Κβάντωσης Μεγέθους όσο πιο μικρές είναι οι κβαντικές κουκίδες τόσο πιο κοντά στο μπλε θα είναι το φως που εκπέμπουν ενώ όσο πιο μεγάλες είναι, τόσο πιο κοντά στο κόκκινο θα είναι το εκπεμπόμενο φως τους.
Πρόκειται, λοιπόν, για παθητικά νανοδομημένα στοιχεία των οποίων η συμπεριφορά υπόκειται σε εξωτερικό έλεγχο της δομής και της λειτoυργίας του νανοϋλικού τους, αλλά από μόνες τους οι νανοδομές αυτές δεν είναι ικανές να κάνουν απολύτως τίποτα. Γι'αυτό ονομάζονται και ''παθητικές'' νανοδομές. Φυσικά, μια τέτοια νανοδομή, δεν έχει ούτε την κατάλληλη δομή και αρχιτεκτονική αλλά ούτε και την περίπλοκη λειτουργία αυτονομίας ώστε η νανοδομή αυτή να ονομαστεί ως ''σύστημα'', αλλά από μόνη της η νανοδομή αυτή (βάση των ιδιοτήτων του υλικού της) θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ''γραμμικό υποσύστημα'', δηλαδή υλικό εξάρτημα ενός ευρύτερου ενεργητικού νανοσυστήματος (δείτε παρακάτω τις επόμενες γενεές νανοσυστημάτων).
Εικόνα 2. Μερικές Ενεργητικές Νανοδομές: Ανόργανα και Οργανικά Νανοσωματίδια
Στην κατηγορία των Παθητικών Νανοδομών ανήκουν όλα τα Aνόργανα και Oργανικά Nανοσωματίδια (Inorganic and Organic Nanoparticles):
1) Στα Ανόργανα Νανοσωματίδια ανήκουν τα Μεσοπορώδη Πυριτικά Νανοσωματίδια (Mesoporous Silica Nanoparticles), τα Νανοσωματίδια από Αλλοτροπικές Ενώσεις Άνθρακα όπως α) τα Φουλλερένια (C60 αλλοτροπικές ενώσεις άνθρακα), β) οι Νανοσωλήνες Άνθρακα (Carbon Nanotubes-CNT's), γ) οι Νανοδομές Γραφίτη και δ) οι Νανοδομές Γραφενίου. Επίσης, τα Νανοσωματίδια Οξειδίων του Σιδήρου (Iron Oxide Nanoparticles), τα Νανοσωματίδια Χρυσου (Gold Nanoparticles) και οι Νανοκρυσταλλικές Ημιαγώγιμες Κβαντικές Κουκίδες (Quantum Dots), ανήκουν και αυτά στην κατηγορία των Ανόργανων Νανοσωματιδίων.
2) Στα Οργανικά Νανοσωματίδια ανήκουν οι Πολυμερείς Νανοσφαίρες και Νανοκάψουλες (βλέπε και το άρθρο μου ''Νανοϊατρική Ενίσχυση Γνωσιακών Λειτουργιών''), τα Πολυμερή Μικύλλια (Polymeric Micelles), τα Λιποσώματα (Liposomes) και τα Δενδριμερή (Dendrimers).
Οι Παθητικές Νανοδομές υπάρχουν ήδη (μερικές υπάρχουν ήδη από το 1995 και το 2000) και αποτελούν νανοδομημένα υλικά (nanocomposite materials) που μπορούν να συνδεθούν με τα ήδη υπάρχοντα συμβατικά υλικά ή να εμφυτευτούν σε αυτά, μεταβάλλοντας τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των συμβατικών υλικών αυτών. Για παράδειγμα, ένα υλικό που λειτουργεί ως επένδυση (coating) όπως η μπογιά, με την εμφύτευση σε αυτό ενός συσσωματώματος Παθητικών Νανοδομών, μπορεί να μεταβληθούν οι ιδιότητές του και να μετατραπεί σε ηλεκτρομαγνητικό μονωτή ή ακόμα καλύτερα σε υλικό που μπλοκάρει την ιοντίζουσα ακτινοβολία και εμποδίζει την εισχώρησή της σε υλικά ή εμποδίζει τη διαρροή της. Οι μορφές με τις οποίες ένα νανοδομημένο Παθητικό Υλικό θα εμφυτευθεί ή θα συνδεθεί σε ένα συμβατικό γίνεται είναι δυο:
1) Mε τη μορφή υψηλού ιξώδους υγρού ή κολλοειδούς φορέα (νανοϋλικά που σχηματίζουν κολλοειδή συσσωματώματα ή εναιωρήματα)
2) Mε τη μορφή αερογέλης ψεκασμού (spraying aerogel).
ΕΙΚΟΝΑ 3. Μια αερογέλη. Δείτε πόσο ελαφρύ υλικό φαίνεται. Πρόκειται ταυτόχρονα για το πιο ελάχιστα πυκνό υλικό στη Γη, όμως αρκετά ανθεκτικό σε πολύ μεγάλες πιέσεις, θερμοκρασίες και κρούσεις καθώς και πολύ ευέλικτο υλικό με υψηλή πλαστικότητα. Ιδανική κατάσταση οργάνωσης νανοδομημένων υλικών (με νέες ιδιότητες) προς ψεκασμό (spraying) σε επιφάνειες συμβατικών υλικών ή ως ψεκαζόμενων αυτόνομων υλικών στην Ιατρική (πχ ως ικριωματα ανάπτυξης οργάνων, μεταφορά νανοφαρμάκων, επούλωση τραυμάτων, κλπ.), στα σπίτια για την πρόληψη και την αναχαίτηση πυρκαγιάς, στην κατάλυση για την παραγωγή ενέργειας, στον αέρα και στο περιβάλλον με πολλές ιδιότητες που αφορούν την καταπολέμηση μικροοργανισμών, την προστασία του περιβάλλοντος, την απολύμανση, στο φιλτράρισμα των ρύπων και σε ποικίλες άλλες εφαρμογές. Βλέπε και το άρθρο μου ''Νανοϊατρική Ενίσχυση Γνωσιακών Λειτουργιών (Nanomedical Cognitive Enhancement'')'' https://transhumanistgr.wixsite.com/society/blog/%CE%BD%CE%B1%CE%BD%CE%BF%CF%8A%CE%B1%CF%84%CF%81%CE%B9%CE%BA%CE%AE-%CE%B5%CE%BD%CE%AF%CF%83%CF%87%CF%85%CF%83%CE%B7-%CE%B3%CE%BD%CF%89%CF%83%CE%B9%CE%B1%CE%BA%CF%8E%CE%BD-%CE%BB%CE%B5%CE%B9%CF%84%CE%BF%CF%85%CF%81%CE%B3%CE%B9%CF%8E%CE%BD-nanomedical-cognitive-enhancement?fbclid=IwAR3NgfNGXtQZYspMb9B-KzQpaVD3RaDh3kBqWRGO2-_SwJsD960-aIbyd0k
Έτσι, βλεπουμε ότι με την εμφύτευση (με τη μορφή κολλοειδούς φορέα ή αερογέλης) Παθητικών Νανοδομών σε ήδη υπάρχοντα συμβατικά υλικά όπως κεραμικά, πολυμερή, μέταλλα, βελτιώνεται η ποιότητα και οι ιδιότητες των -εμπλουτισμένων πια- υλικών αυτών, λόγω του ότι έχουν αναμιχθεί με τις ''εξωτικές'' ιδιότητες των Παθητικών Νανοδομημένων Υλικών (Παθητικές Νανοδομές).
Δεύτερη Γενεά Νανοσυστημάτων: Ενεργητικές Νανοδομές (Active Nanostructures)
Ήδη η εποχή μας, βρίσκεται στη γενεά των Ενεργητικών Νανοδομών. Οι Ενεργητικές Νανοδομές υπάρχουν ήδη από τις αρχές του 2000 με αποκορύφωμα της συνεχή παραγωγή και βελτίωσή τους το διάστημα 2010-2015, πορεία που συνεχίζεται έως και σήμερα (τέλη του 2018) που γράφω αυτές τις γραμμές. Η πλειοψηφία των τρεχουσών ερευνών πάνω στη Νανοτεχνολογία (και στη Νανοβιοτεχνολογία), στη Φαρμακευτική, στη Χημική Μηχανική, στην Ηλεκτρονική Τεχνολογία και Τεχνολογία Υπολογιστών και στη Μηχανική Υλικών, άπτεται στη δεύτερη αυτή γενεά νανοδομημένων υλικών. Σκεφτείτε ότι τα περισσότερα ερευνητικά προγράμματα και διδακτορικά διπλώματα (Ph.D's) στη Νανοτεχνολογία, απονέμονται για την έρευνα και τα projects πάνω στις ιδιότητες και τη δράση των Ενεργητικών Νανοδομών, με εφαρμογές αυτών στην Ηλεκτρονική, την Παραγωγή Ενέργειας, στη Βιοϊατρική και το Περιβαλλον. Ονομάζονται ''Ενεργητικές'' Νανοδομές, διότι -σε αντίθεση με τις Παθητικές Νανοδομές που προανέφερα- οι νανοδομές αυτές μπορούν να επιδράσουν σε ένα άλλο υλικό ή φαινόμενο ή μηχανισμό και να το μεταβάλουν, αποκλειστικά και μόνο μέσω των ιδιοτήτων του υλικού τους και όχι με την επίδραση εξωγενούς παράγοντα (όπως πχ. του πειραματιστή ή του επιστήμονα ή ακτινοβολίας ή θερμότητας) όπως συμβαίνει στις Παθητικές Νανοδομές.
ΕΙΚΟΝΑ 4. Ενεργητική Νανοδομή εν δράση. Προσέξτε την ετερογένεια της δομής της (αποτελείται από φάρμακο, λιπόσωμα, πολυμερές, κατιονικό πεπτίδιο, νανοσωματίδιο και καψίδιο ιού, τα οποία λειτουργούν ως υποσυστήματά του) και το πως η ετερογένεια της δομής αυτής οδηγεί στο ενεργητικό επιθυμητό αποτέλεσμα που είναι η κυτταρική τροποποίηση (καταστροφή καρκινικού κυττάρου).
Στην ουσία, οι Ενεργητικές Νανοδομές είναι τροποποιημένες (modified) Παθητικές Νανοδομές στις οποίες έχουν προστεθεί ετερογενή νανοδομημένα υλικά, τα οποία δρουν ως υποσυστήματα των νανοδομών αυτών. Τα σύνθετα αυτά νανοδομημένα υλικά με την ετερογένεια στη δομή τους που παρουσιάζουν, παρουσιάζουν και περιπλοκότητα στη λειτουργία τους, άρα και υψηλή δραστικότητα και πολυλειτουργικότητα. (σε αντίθεση με τις Παθητικές Νανοδομές).
ΕΙΚΟΝΑ 5. Δομή μιας Ενεργητικής Νανοδομής. Σε αντίθεση από μια Παθητική Νανοδομή, η Ενεργητική Νανοδομή αποτελείται από πολλές Παθητικές Νανοδομές οι οποίες αποτελούν τα λειτουργικά στοιχεία της για να αναδειχθεί η συντονισμένη, επιθυμητή ενεργητική δράση της Ενεργητικής Νανοδομής αυτής πάνω σε ένα σύστημα (όπως πχ. μια παθολογική κυτταρική διεργασία όπως η καρκινογένεση ή όπως μια λοίμωξη από κάποιο βακτήριο ή ιό).
Οι κατηγορίες στις οποίες χωρίζονται οι Ενεργητικές Νανοδομές είναι ακριβώς οι ίδιες με αυτές των Παθητικών, με τη διαφορά ότι είναι τροποποιημένες (modified) και πιο εμπλουτισμένες (enriched), ώστε να πραγματοποιούν μια λειτουργία σε άλλα υλικά συστήματα όπως πχ. κύτταρα, ιστοί, μικρόβια, ηλεκτρονικές διατάξεις, ατμοσφαιρικός αέρας, κλπ.
Ένα δυναμικό παράδειγμα Ενεργητικών Νανοδομών είναι τα Νανοφάρμακα. Έρευνες εφαρμογών ''έξυπνων'' συστημάτων μεταφοράς φαρμάκων (smart drug delivery) στο σώμα ποντικών και αρουραίων μέσω νανοφαρμάκων, όπου τα πειραματόζωα έπασχαν από μέσου ή και τελικού σταδίου μεταστατικού καρκίνου, τα αποτελέσματα της δράσης των νανοφαρμάκων ήταν αρκετά ικανοποιητικά σε σχέση με τη δράση των συμβατικών κυτταροστατικών φαρμάκων στην ίδια κατηγορία πειραματοζώων (Yamaguchi H., Tsuchimochi M., Hayama K., Kawase T., Tsubokawa N., 2016).
Συγκεκριμένα, θηλυκά ποντίκια και αρουραίοι με μη-ιάσιμο μεταστατικό καρκίνο του μαστού, παρουσίαζαν υποχώρηση των σημείων της μετάστασης και κατόπιν του καρκίνου, σε ποσοστό 50% κατόπιν της επίδρασης κυτταροστατικής ουσίας εγκλεισμένης μέσα σε πορωδεις πυριτικούς νανοφορείς (Ενεργητικές Νανοδομές) σε αυτά, σε διάστημα χορήγησης οκτώ μηνών (περίοδος 24 χρόνων επιβίωσης, αντίστοιχα, ενός υποβληθέντος σε αντίστοιχη θεραπεία ανθρώπου) (Yamaguchi H., Tsuchimochi M., Hayama K., Kawase T., Tsubokawa N., 2016). Πρόκειται φυσικά για ποσοστό ίασης σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί με τη χρήση και δράση των συμβατικών κυτταροστατικών φαρμάκων, τόσο στα πειραματόζωα αυτά όσο φυσικά και στην κλινική πράξη σε ανθρώπους ασθενείς οι οποίοι σε καθημερινό επίπεδο χάνουν τελικά τη ζωή τους από τον καρκίνο και την μετάσταση σε άλλα ζωτικά όργανα που προκαλείται από αυτόν.
ΕΙΚΟΝΑ 6. Νανοφάρμακα: Το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα Ενεργητικών Νανοδομών σήμερα
Ένα άλλο παράδειγμα Ενεργητικών Νανοδομών είναι και οι Νανοηλεκτρονικές Διατάξεις όπως τα Νανο-Hλεκτρο-Mηχανικά Συστήματα (NEMS-NanoElectroMechanical Systems). Τα NEMS, ευρίσκονται μέσα σε κάθε σύγχρονο ηλεκτρονικό υπολογιστή, smartphone, ιατρική συσκευή (οπως βιοχημικούς αναλυτές, Lab-on-a-Chip), ηλεκτρονικό gadget κάθε λογής όπως tablet και σε κάθε Ενσωματωμένο Σύστημα (Embedded System) σύγχρονου αεροσκάφους, πλοίου, αυτοκινήτου, δορυφόρου και drone (UAV).
ΕΙΚΟΝΑ 7. NEMS (NANO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS). Ηλεκτρομηχανικά Συστήματα στη νανοκλίμακα που περιλαμβάνουν έναν συνδυασμό από νανοσκοπικούς ταλαντωτές, δονητές, πολυδονητές αντηχεία, ανορθωτές και διασυνδετικά κυκλώματα ανάδρασής τους, για την διαμόρφωση αισθητήρων, γυροσκοπίων, επιταχυνσιομέτρων, συστημάτων GPS, νανοϋδραυλικών δικτύων σε Lab-on-a-Chip ιατρικών διαγνωστικών νανοσυστημάτων, μοριακών αισθητήρων, κεφαλών lasers, υπολογιστικών πλατφορμών, RFID συστοιχίες και άλλων πολλών ποικίλων καινοτομιών.
Μια κατηγορία NEMS ευρείας χρήσης είναι τα επιταχυνσιόμετρα, τα γυροσκόπια και οι αισθητήρες GPS των smartphones και των drones, τα οποία ελέγχουν την κίνηση και την επιτάχυνση του drone πάνω από μια πόλη καθώς και τον εντοπισμό της θέσης του drone στην οθόνη ελέγχου του χρήστη. Στα smartphones, τα NEMS (γυροσκόπια, επιταχυνσιόμετρα, αισθητήρες GPS) συμβάλουν στην ένδειξη και εντοπισμό της θέσης του χρήστη του smarphone για GPS πλοήγηση, για τον υπολογισμό των βημάτων του στην πόλη, τα χιλιόμετρα που διένυσε περπατώντας και το πότε επιτάχυνε το βήμα του για να περάσει από το ένα πεζοδρόμιο στο άλλο.
Τρίτη Γενεά Νανοσυστημάτων: Συστήματα Νανοσυστημάτων (Systems of Nanosystems) ή.... Μοριακή Νανοτεχνολογία!
Κι εδώ ερχόμαστε με παλίνδρομη λούπα (retrogressive loop) στο αμέσως προηγούμενο άρθρο μου, στο ''Η Μοριακή Νανοτεχνολογία και το ''Μοριακό'' Μέλλον της Ανθρωπότητας'', καθώς η τρίτη γενεά νανοσυστημάτων πραγματεύεται τα Συστήματα Νανοσυστημάτων ή αλλιώς Πρώιμα Μοριακά Νανοσυστήματα. Είναι η γενεά νανοσυστημάτων στην οποία μένει να φτάσουμε αυτές τις τρέχουσες μελλοντικές δεκαετίες. Σε αυτή τη γενεά εφαρμόζεται η Bottom-Up προσέγγιση στη Νανοτεχνολογία και έχουμε την έκρηξη των πρώτων εφαρμογών της Μοριακής Νανοτεχνολογίας. Για περισσότερες πληροφορίες, σας παραπέμπω στο προαναφερθέν άρθρο μου https://transhumanistgr.wixsite.com/society/blog/%CE%B7-%CE%BC%CE%BF%CF%81%CE%B9%CE%B1%CE%BA%CE%AE-%CE%BD%CE%B1%CE%BD%CE%BF%CF%84%CE%B5%CF%87%CE%BD%CE%BF%CE%BB%CE%BF%CE%B3%CE%AF%CE%B1-%CE%BA%CE%B1%CE%B9-%CF%84%CE%BF-%CE%BC%CE%BF%CF%81%CE%B9%CE%B1%CE%BA%CF%8C-%CE%BC%CE%AD%CE%BB%CE%BB%CE%BF%CE%BD-%CF%84%CE%B7%CF%82-a%CE%BD%CE%B8%CF%81%CF%89%CF%80%CF%8C%CF%84%CE%B7%CF%84%CE%B1%CF%82?fbclid=IwAR1VRSrf7auW2Kh4s9CWQ-Vg7Iej_8JxRWDWv0m8kzIoSM0lhvXmEo0RTlA
ΕΙΚΟΝΑ 8. Μοριακή Μηχανίκευση (Molecular Machinery)
Σε αυτή τη γενεά λοιπόν, θα δούμε συστήματα νανομηχανών να εργάζονται συνεργικά με σκοπό την εκτέλεση πολύπλοκων διαδικασιών όπως τη σύνθεση νανοεργοστασίων τύπου Drexler για την κατασκευή νανοδομών κι επιπλέον για τη σύνθεση μικροσκοπικών έως και μακροσκοπικών δομών, την κατασκευή αυτοαναπαραγόμενων νανορομπότ (νανιτών) όπως ακριβώς τα περιέγραψε ο Eric Drexler, με ευρεία εφαρμογή σε διάφορους τομείς, από τη Βιοϊατρική, την Κρυονική και το περιβάλλον έως την άμυνα, την ασφάλεια και τους υπολογιστές, την Τεχνητή Νοημοσύνη και την Εγκεφαλική Μεταφόρτωση (Brain Uploading) για την επίτευξη της Μεταβιολογικής Αθανασίας.
Τα Συστήματα Νανοσυστημάτων (Systems of Nanosystems) άρχισαν να προσεγγίζονται στις πιο πρώιμες χημικές μορφές τους (ροταξάνες, κατενάνες, δακτύλιοι Borromeo, κλπ) το 2015, με τη δημοσίευση ερευνών στην Υπερμοριακή Χημεία (Supramulecular Chemistry) των Fraser Stoddart, Bernard Feringa and Jean-Pierre Sauvage πάνω στους συνθετικούς μοριακούς κινητήρες. Φυσικά, τα Συστήματα Νανοσυστημάτων έχουν γενικά πάρα πολύ δρόμο ακόμα και αναμένεται ένας μεγάλος αγώνας δρόμου για να τελειοποιηθούν έως και το 2030.
ΕΙΚΟΝΑ 9. Συνθετικοί Μοριακοί Κινητήρες
Φυσικά μέχρι στιγμής δεν έχουν κατασκευαστεί τέτοιες μορφές λειτουργικών και βιώσιμων νανοσυστημάτων, παρά μόνο κάποιες πολύ πρώιμες μορφές συνθετικών μοριακών κινητήρων (Υπερμοριακή Χημεία) με μελλοντικές ποικίλες εφαρμογές (Μηχανική Υλικών και Βιοϊατρική) αλλά μέχρι στιγμής μόνο πειραματικές και υπό διερεύνηση, δυνητικές εφαρμογές υπάρχουν, όπως πχ. στις βαφές και στη Φαρμακευτική (βλέπε και το άρθρο μου στη Μοριακή Νανοτεχνολογία).
EIKONA 10. Συνθετικοί Μοριακοί Κινητήρες-Ροταξάνες και Κατενάνες: Τα πολύ πρώιμα επιτεύγματα της Υπερμοριακής Χημείας (Supramolecular Chemistry)
Τέταρτη Γενεά Νανοσυστημάτων: Μοριακά Νανοσυστήματα (Molecular Nanosystems)
Η γενεά αυτή, αποτελεί την συνέχεια και την τελειοποίηση της προηγούμενης γενεάς, της Τρίτης Γενεάς Νανοσυστημάτων. Σε αντίθεση όμως με την Τρίτη Γενεά, στην Τέταρτη Γενεά Νανοσυστημάτων, έχουμε τον πλήρη συναρμοστικό έλεγχο του κάθε υποσυστήματος και του κάθε μορίου του ξεχωριστά. Εδώ κατασκευάζονται συστήματα από διαφορετικά components, όπου το κάθε component αποτελείται από πολλά και διαφορετικού τύπου μόρια και υπερμοριακά συμπλέγματα και όπου το κάθε μόριο θα έχει μια ιδιαίτερα ξεχωριστή δομή και λειτουργία από μόνο του. Εδώ, μιλάμε για Μοριακές Μηχανές (νανορομπότ-νανίτες), πλήρως αυτοσυντηρούμενες και αυτοαναπαραγόμενες.
Άρα μιλάμε για Μοριακή Μηχανική Πολυπλοκότητα (Molecular Engineering Complexity) μετά Νανομοριακής Αυτοματοποίησης (Nanomolecular Automation). Εδώ έχουμε τις εφαρμογές των concepts του Drexler στην πιο τελειοποιημένη και εξωτική μορφή τους.
Σε αυτή τη γενεά νανοσυστημάτων, η Κρυονική αποκτά νέα όπλα για την ανάκαμψη των κρυοσυντηρημένων ασθενών από την κατάσταση βιοστασίας, καθώς με τη δράση των μοριακών νανομηχανών οι ασθένειες και οι βλάβες από ατυχήματα και τραυματισμούς από τις οποίες πέθαναν οι ασθενείς αυτοί, εξαφανίζονται, οι επιπλοκές της κρυοστασίας ξεπερνώνται και ο εκφυλισμός λόγω γήρατος αποκαθίσταται και οι ασθενείς ξανακερδίζουν τη ζωή τους, την υγεία τους και τη νεότητά τους.
Εδώ επίσης, εμφανίζονται και νέες εξωτικές μορφές μεταϋλικών και ίσως και νεοφανείς μορφές ζωντανών οργανισμών. Πρόκειται για μια εντελώς διαφορετική Μικρο-Βιολογία (ή καλύτερα Νανο-Βιολογία). Συντιθενται τεχνητοί ιοί και μάλλον τεχνητά βακτήρια και λοιποί τεχνητοί μικροοργανισμοί. Η Μικροβιολογία ως επιστήμη παύει να υπάρχει και απορροφάται στη Νανοβιολογία και καθιερώνεται η νέα Επιστήμη και Μηχανική της Συνθετικής Νανοβιολογίας που πραγματεύεται την Bottom-Up μηχανίκευση της ζωής.
ΕΙΚΟΝΑ 11. Ένας ιός αποτελεί την ίδια Μοριακή Νανοτεχνολογία της φύσης. Όμως θα μπορούσε να αποτελέσει και ένα Τέταρτης Γενεάς ανθρωπογενές Μοριακό Νανοσύστημα
ΕΙΚΟΝΑ 12. Φωτογραφία από Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (SEM) ενός Τεχνητού Βακτηριακού Μαστιγίου (Artificial Bacterial Flagella-ABF). Αυτή η τεχνητή μικροδομή (και όχι νανοδομή) είναι κατασκευασμένη από ερευνητές του Ομοσπονδιακού Πολυτεχνείου της Ζυρίχης στην Ελβετία (ETH Zurich), με τη χρήση κυρίως Top-Down τεχνικών Νανοτεχνολογίας, όπως η Φωτολιθογραφία και η Εγχάραξη επί Ξηρού (Dry Etching). Άραγε πως θα ήταν να φτιάχναμε ένα μαστίγιο αλλά κι ένα ολόκληρο βακτήριο με προσέγγιση Νανοτεχνολογίας Bottom-Up, δομημενο άτομο-προς-άτομο; Με τα μέχρι τώρα δεδομένα και τεχνικές, ακατόρθωτο και σίγουρα ανυπέρβλητα πολύπλοκο αλλά και συνάμα γοητευτικό.
Τι έπεται μετά;
Το τι έπεται μετά, μένει να ιδωθεί έπειτα από την αποτελεσματική εφαρμογή της Bottom-Up Νανοτεχνολογίας των πολύπλοκων μοριακών νανοσυστημάτων που θα κατασκευαστούν, τα οποία θα μεταμορφώσουν εντελώς τον κόσμο μας σε μια αναβαθμισμένη και θαυμαστή έκδοσή του, χωρίς φυσικά τις αρνητικές δυστοπικές τρέχουσες καταστάσεις ασθένειας, έλλειψης αγαθών και θανάτου που χαρακτηρίζει την παρούσα υποβαθμισμένη version του και βαθμίαιως -θεωρηθείσα ως- πρωτόγονη.
Συγγραφέας του παρόντος άρθρου: Γιώργος-Φανούριος Πουλόπουλος
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11051-010-0192-z
http://www.nanotechproject.org/events/archive/the_nanotech_future_conversation_with/
http://www.nano.ucf.edu/workshop/include/files/Roco-NNI.pdf
https://www.teachengineering.org/content/uoh_/activities/uoh_nano/uoh_nano_lesson02_activity3_worksheetas_v4_tedl_dwc.pdf
http://www.aerogel.org/?p=1058
https://www.medscape.com/viewarticle/756374_3
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5877769/
https://www.researchgate.net/figure/SEM-image-of-an-artificial-bacterial-Flagella_fig5_321176530
https://www.researchgate.net/publication/229163727_Artificial_Bacterial_Flagella_Fabrication_and_Magnetic_Control
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1478-3975/3/1/E01/meta