Dojrzała nanoinżynieria stanie się „technologią ostateczną” w zakresie inżynierii materiałowej, mechaniki, elektroniki oraz wszelkich innych technik obróbki materii jakie rozwijaliśmy od tysięcy lat, osiągając fizyczną barierę w postaci ziarnistości samej materii.
Umiemy co prawa wyobrazić sobie technologie operujące poniżej tej granicy. Przykładowo w powieści Cixin Liu Problem trzech ciał pojawia się pomysł sofonów, wytworów femtotechnologicznej inżynierii obcej inteligencji będących protonami przekształconymi w superkomputery wykonane z wykorzystaniem zwiniętych wymiarów 11-wymiarowej przestrzeni, których logiczna struktura mieści we wnętrzu obiektu o wymiarach zwykłej cząstki elementarnej. Obecnie nie posiadamy jednak nawet teoretycznych pomysłów, jak mielibyśmy operować czasoprzestrzenią oraz masoenergią w skalach subatomowych.
Nanotechnologia jest stosunkowo starym, bo wywodzącym się jeszcze z lat 50. XX w. konceptem spopularyzowanym w początku lat 90. Jest to dziedzina, która od dekad rozpala wyobraźnię, pobudzając do dyskusji i spekulacji, w praktyce jednak nadal w ogromnym stopniu ogranicza się głównie do badań i eksperymentów.
Efekty nanoskali
Następstwem pracy z obiektami o wymiarach atomów i molekuł jest, nie tylko osiągnięcie najwyższego możliwego upakowania układów, ale również fakt, że w ich przypadku efekty kwantowe zaczynają w istotny sposób wpływać na właściwości nanomechanizmów, nanoukładów i nanomateriałów. W efekcie mogą one wykazywać niezwykłą wytrzymałość, sprężystość, własności elektryczne i przewodnictwo cieplne. Urządzenia o tych wymiarach, pracujące w zakresie założonych parametrów roboczych potrafią w ogóle nie podlegać zużyciu. Struktury takie jak, na przykład nanorurki węglowe, stanowiące w praktyce pojedynczą makromolekułę, swoją wytrzymałość zawdzięczają oddziaływaniom międzyatomowym wewnątrz cząsteczki, eksportując niejako siły chemicznych wiązań atomowych do poziomu makroświata. Niezwykłość objawiających się tutaj efektów doskonale ukazuje przykład odbiornika radiowego zbudowanego z pojedynczej nanorurki drgającej pod wpływem pola elektromagnetycznego, której mechaniczna częstotliwość rezonansowa odpowiada częstotliwości odbieranego sygnału. W efekcie urządzenie, do którego wykonanie w „naszym świecie” niezbędne jest wykonanie złożonych układów, w uniwersum obiektów submikroskopowych może przybrać postać zwykłej „rurki”.
Jednocześnie jednak, zapuszczając się w obszary świata tak odległego od ludzkiej skali, coraz częściej natykamy się na zjawiska sprzeczne z naszą intuicją lub nawet z klasyczną fizyką. Zachowanie elektronów w układach elektronicznych o ścieżkach szerokości kilkunastu atomów podlega efektom kwantowym, a ich wzajemne izolowanie staje się zadaniem coraz trudniejszym. Już w stosunkowo ogromnych względem nanoskali układach MEMS pracujących jako mikrosensory do smartfonów oddziaływania elektrostatyczne i lepkościowe dominują nad siłami bezwładności. Korpuskuł materii nie da się postrzegać, jako mikroskopijnych kulek, z których zbudujemy pomniejszone wersje znanych nam mechanizmów, bowiem w niektórych przypadkach okaże się to zwyczajnie niemożliwe. Świetnie ilustruje to przykład zapadki brownowskiej, która wedle teoretycznych założeń mogłaby stanowić perpetuum mobile II rodzaju, wykonując pracę kosztem energii kinetycznej atomów zewnętrznego ośrodka. W rzeczywistości jednak napędzające ją ciepło, wywołałoby jednocześnie drgania termiczne atomów samego mechanizmu zapadkowego, uniemożliwiając mu prawidłową pracę. Ponadto, już na poziomie pojedynczych atomów, a nawet złożonych z nich cząsteczek obserwowalna staje się zasada nieoznaczoności, sprawiająca, iż operując w tej skali nie możemy już mówić o jednoznacznie zdefiniowanych położeniach i stanach obiektów.
Zastosowania
Jednak pomimo wszelkich zastrzeżeń nanotechnologia pozostaje kierunkiem niezmiernie atrakcyjnym. Sam tylko grafen tak w postaci arkuszy, jak i zwinięty do postaci nanorurek obiecuje kompletną rewolucję w zakresie supermateriałów konstrukcyjnych, osiągając wytrzymałość na rozciąganie sześćdziesięciokrotnie wyższą od stali przy kilkukrotnie mniejszej gęstości. Elektronika oparta na siatkach grafenowych powinna pozwolić na tysiąckrotne przyspieszenie budowanych przez nas mikroprocesorów. Nanomechanika już dzisiaj stanowi naturalne rozwinięcie powszechnych (chociaż paradoksalnie mało znanych) systemów mikromechanicznych. Mechaniczne czujniki i układy logiczne wykazują przewagę nad elektroniką w zakresie odporności na wysoką temperaturę i promieniowanie, o kilka rzędów wielkości niższe wydzielanie ciepła w trakcie pracy oraz zdolność do stuprocentowego (bo mechanicznego właśnie) odcinania zasilania od wybranych układów niemożliwą z wykorzystaniem elementów elektronicznych. Ich zasadniczą wadą pozostaje jednak kilkusetkrotnie mniejsza szybkość wynikająca z fizycznej bezwładności elementów. Racjonalne jest zatem wykorzystanie ich jako pomocniczych układów i czujników, nie zaś jako zamiennik krzemowych procesorów. Szybkość działania elementów mechanicznych zależy jednak od ich masy i częstotliwości rezonansowej, logicznym kierunkiem poszukiwań będzie zatem dalsze zmniejszanie ich wymiarów. Odległym lecz istotnym obszarem docelowych zastosowań jawi się również bioinżynieria realizowana na poziomie molekularnym, podobnie jak czynią to nasze naturalne, biologiczne nanomechanizmy, takie jak białka czy organelle komórkowe.
Mira Żmijewska