Raport

Początki nanotechnologii jako dyscypliny naukowej bardziej przypominają zabawną anegdotę niż historię narodzin wielkiej nauki. Być może „odkryto” by ją znacznie później, gdyby nie wykład wygłoszony w 1959 r. przez Richarda P. Feynmana – późniejszego zdobywcę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki i jednego z największych fizyków naszych czasów. Feyneman wyzwał cały ówczesny świat nauki na pojedynek: obiecał nagrodę w wysokości 1000 dolarów temu, kto jako pierwszy zbuduje silnik mieszczący się w sześcianie o boku długości maksymalnie 0,4 mm oraz zmniejszy stronę książki w skali 1/25 000, czyli mniej więcej do wymiarów 0,007 × 0,01 mm (przy założeniu, że oryginalnym formatem byłby popularny B5). Ku zdumieniu naukowca, wykonanie pierwszego zadania zajęło jego kolegom niecały rok: w 1960 r. nagroda przypadła Williamowi H. McLellanowi, któremu udało się zaprojektować silnik o wadze 250 mikrogramów i mocy 1 mW. Dużo więcej czasu zajęło naukowcom zmniejszenie stronicy książki: udało się to dopiero Thomasowi Newmanowi z Uniwersytetu Stanforda, który w 1985 r. odtworzył w mikroskali pierwszy akapit „Opowieści o dwóch miastach” Karola Dickensa.

W latach 80. i 90. nanotechnologia nadal uważana była raczej za dziedzinę z pogranicza niż z głównego nurtu nauki. A potem wynaleziono nanorurki… W efekcie tylko w latach 2001–2004 szeroko zakrojone programy badawczo-rozwojowe w dziedzinie nanotechnologii uruchomiło ponad 60 krajów na całym świecie. Do 2012 r.
Stany Zjednoczone i Unia Europejska wpompowały w jej rozwój prawie 5 mld dolarów, a w samym tylko 2012 r. – kolejne 2,1 mld dolarów, tj. ponad ¼ całkowitej wartości inwestycji w nanotechnologię w skali świata. Do tego trzeba dodać kolejne 10 mld dolarów zainwestowane przez międzynarodowe koncerny, takie jak Samsung, IBM czy Toshiba. Czy było warto?

Nano, czyli co?

Wynalezienie nanomateriałów samo w sobie nie stanowiło jeszcze przełomu. Trzeba je było najpierw wnikliwie przetestować, aby odkryć, że ich regularne struktury o wielkości do 100 nm mają nie tylko wyśmienite parametry, ale są także w stanie modyfikować właściwości znacznie większych systemów, np. tworzonych na ich bazie kompozytów. Z czasem struktury te uszeregowano, dzieląc je na cztery podstawowe kategorie: punktowe (np. nanocząsteczki srebra), jednowymiarowe (np. nanorurki), dwuwymiarowe (np. grafen) i trójwymiarowe (np. kompozyty wzbogacone nanocząsteczkami). 

Jak odróżnić nanocząsteczki od mikrocząsteczek? Na potrzeby wyznaczenia jasnych granic nowej nauki międzynarodowe gremia zdecydowały, że nanostruktury mieszczą się w przedziale 1–100 nm, przy czym wielkość ta odnosi się albo do wymiarów całej struktury, albo poszczególnych elementów większych grup funkcyjnych, np. kompozytów. Założenie to jest o tyle błędne, że na przydomek „nano” zasługują również materiały, które wykazują specyficzne właściwości nanocząsteczek, mimo że formalnie nimi nie są. Użyteczna granica między strukturami nano i mikro przebiega gdzie indziej: wyznaczają ją zmiany właściwości fizycznych materiałów pojawiające się poniżej pewnej granicznej wielkości cząstek. Weźmy za przykład grafen, który, mimo że jest złożony z atomów węgla, wykazuje zupełnie inne właściwości niż węgiel. I właśnie to, a nie sama wielkość cząstek, czyni z niego nanomateriał.
Tym, co łączy wszystkie nanomateriały, jest unikalny zestaw własności fizycznych, często nieosiągalnych dla tradycyjnych surowców. Wspomniany grafen jest nie tylko bardzo dobrym przewodnikiem, ale jest też niezwykle wytrzymały na rozciąganie i utlenianie. Jony srebra mają silne właściwości antybakteryjne – podobnie jak dwutlenek tytanu, który jest dodatkowo żaroodporny i odpycha zabrudzenia. Z tego względu jest stosowany m.in. w kremach do opalania, farbach i powłokach ochronnych (na równi z tlenkiem cynku). 
Wszystkie te struktury należą do tzw. nanomateriałów pasywnych, czyli niewpływających bezpośrednio na zmianę parametrów ich otoczenia – inaczej niż nanomateriały aktywne, takie jak piezoelektryki, piezorezystory, przewodniki czy termoelementy. Wszystkie są na razie śpiewem przyszłości, ale intensywne prace badawcze w tej dziedzinie mogą wkrótce zmienić ten stan. Zdaniem samych naukowców pierwsze urządzenia elektroniczne (NEMS i MEMS) na bazie nanostruktur mogą pojawić się na rynku już w kolejnej dekadzie.
Producenci wyrobów na bazie „konwencjonalnych” nanomateriałów także jednak nie próżnują. Według ostatnich danych Projektu ds. Rozwoju Nanotechnologii – organizacji zajmującej się wspieraniem rozwoju nanoproduktów – w 2013 r.
rynek ten obejmował ponad 1600 wyrobów – dwa razy więcej niż jeszcze 5 lat wcześniej. Liczba ta od 2010 r., tj. czasu poprzedniego badania, wzrosła o 24%. Ile spośród nich stanowią farby i powłoki stosowane w lakiernictwie? I jakie „supermoce” oferują?