Του Tapas Sen*… Μια ομάδα φυσικών πρόσφατα έφτιαξε την μικρότερη μηχανή που έχει δημιουργηθεί ποτέ από ένα μόνο άτομο. Όπως και κάθε άλλη μηχανή, μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε κινητική –αλλά το κάνει σε μικρότερη κλίμακα από όση έχει δει κανείς ποτέ ως τώρα. Το άτομο είναι παγιδευμένο σε ένα κώνο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και χρησιμοποιούνται λέιζερ για να το θερμαίνουν και να το ψύχουν, τα οποία κάνουν το άτομο να κινείται μπρος-πίσω μέσα στον κώνο όπως ένα πιστόνι.
Οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Μάιντς της Γερμανίας που βρίσκονται πίσω από την εφεύρεση δεν είχαν κάποια συγκεκριμένη χρήση κατά νου για τη μηχανή. Αλλά είναι μια καλή απεικόνιση του πώς μπορούμε ολοένα και περισσότερο να αντιγράψουμε τις καθημερινές μηχανές που χρησιμοποιούμε σε μικροσκοπική κλίμακα. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για πολλές συναρπαστικές ευκαιρίες στο μέλλον, συγκεκριμένα ως προς τη χρήση νανορομπότ στην Ιατρική, τα οποία θα μπορούσαν να μπουν στο σώμα για να χορηγήσουν τα κατάλληλα φάρμακα σε σημεία-στόχους ή και για να αντιμετωπίσουν ασθένειες όπως ο καρκίνος.
Η νανοτεχνολογία ασχολείται με εξαιρετικά μικρά αντικείμενα που αντιστοιχούν στο 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου σε μέγεθος, που μοιάζει μια απίστευτα μικρή κλίμακα για να φτιάξει κανείς μηχανές. Αλλά το μέγεθος είναι σχετικό με το πόσο κοντά είστε σε ένα αντικείμενο. Δεν μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι τα πράγματα που είναι φτιαγμένα σε νανοκλίμακα, όπως πολύ απλά δεν μπορούμε να δούμε τους εξώτερους πλανήτες του ηλιακού συστήματος. Όμως, αν εστιάσουμε –με ένα τηλεσκόπιο για τους πλανήτες ή ένα ισχυρό μικροσκόπιο ηλεκτρονίων για τα νανοαντικείμενα- τότε αλλάζουμε το πλαίσιο αναφοράς και τα πράγματα μοιάζουν εντελώς διαφορετικά.
Όμως, ακόμα και αν τα κοιτάξουμε από πιο κοντά, δεν μπορούμε ακόμα να φτιάξουμε νανομηχανές χρησιμοποιώντας συμβατικά μηχανικά μέσα. Ενώ οι κανονικές μηχανές, όπως οι μηχανές εσωτερικής καύσης στα περισσότερα αμάξια, λειτουργούν με τους νόμους του Νεύτωνα, τα πράγματα που είναι σε νανοκλίμακα ακολουθούν τους πιο περίπλοκους νόμους της κβαντομηχανικής. Οπότε χρειαζόμαστε διαφορετικά εργαλεία που λαμβάνουν υπ’ όψιν τον κόσμο των κβάντων για να χειριστούν τα άτομα και τα μόρια με έναν τρόπο που τα χρησιμοποιεί ως μέσα δημιουργίας νανομηχανών. Εδώ παρουσιάζονται τέσσερις μηχανές που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν σημαντικό αντίκτυπο.
Μηχανή γραφενίου για νανορομπότ
Ερευνητές από τη Σιγκαπούρη πρόσφατα έδειξαν μια απλή μηχανή σε νανοκλίμακα φτιαγμένη από ένα εξαιρετικά ελαστικό κομμάτι γραφενίου. Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο φύλλο από άτομα άνθρακα που έχει ιδιαίτερη μηχανική αντοχή. Η εισαγωγή μερικών μορίων χλωρίου και φθορίου μέσα στο πλέγμα του γραφενίου και η εκτόξευση ενός λέιζερ σε αυτό κάνουν το φύλλο να επεκτείνεται. Αν αναβοσβήσετε γρήγορα το λέιζερ, αυτό κάνει το γραφένιο να κινείται μπρος-πίσω, όπως το πιστόνι σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η νανομηχανή γραφενίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ώστε να λειτουργήσουν τα νανορομπότ, ώστε για παράδειγμα να επιτεθούν στα καρκινικά κύτταρα του σώματος. Ή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένα «κινητό εργαστήριο» -μια συσκευή που συμπυκνώνει τις λειτουργίες ενός χημικού εργαστηρίου σε ένα μικροσκοπικό πακέτο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γρήγορες εξετάσεις αίματος, μεταξύ άλλων.
Νανοκινητήρες χωρίς τριβές
Οι ρότορες που παράγουν την κίνηση σε μηχανές όπως εκείνες των αεροσκαφών και των ανεμιστήρων, όλοι τους συχνά υποφέρουν από την τριβή, η οποία περιορίζει τις επιδόσεις τους.
Η νανοτεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει μια μηχανή από ένα μόνο μόριο, το οποίο μπορεί να γυρίζει χωρίς καμία τριβή. Οι κανονικοί ρότορες έρχονται σε επαφή με τον αέρα σύμφωνα με τους νόμους του Νεύτωνα καθώς γυρίζουν και έτσι εμποδίζονται από την τριβή. Αλλά, στη νανοκλίμακα, οι μοριακοί ρότορες ακολουθούν τον κβαντικό νόμο, εννοώντας ότι δεν έρχονται σε επαφή με τον αέρα με τον ίδιο τρόπο, με αποτέλεσμα η τριβή να μην επηρεάζει την απόδοσή τους.
Η φύση μας έχει ήδη δείξει ότι οι μοριακοί ρότορες είναι δυνατόν να γίνουν. Κάποιες πρωτεΐνες μπορούν να διασχίσουν μια επιφάνεια χρησιμοποιώντας έναν περιστρεφόμενο μηχανισμό που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε κινητική. Αυτές οι πρωτεΐνες-μηχανές είναι εκείνες που κάνουν τα κύτταρα να συσπώνται και είναι υπεύθυνες για τις κινήσεις των μυών μας.
Ερευνητές από τη Γερμανία ανέφεραν πρόσφατα ότι δημιούργησαν έναν μοριακό περιστρεφόμενο ρότορα βάζοντας κινούμενα μόρια μέσα σε μια μικροσκοπική εξαγωνική τρύπα που ονομάζεται «νανοπόρος» σε ένα λεπτό κομμάτι ασημιού. Η θέση και η κίνηση των μορίων σήμαναν ότι ξεκίνησαν να περιστρέφονται γύρω από την τρύπα όπως ένας ρότορας. Και πάλι, αυτή η μορφή νανομηχανής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δώσει ενέργεια να κινηθεί ένα μικροσκοπικό ρομπότ σε όλο το σώμα.
Ελεγχόμενες νανορουκέτες
Μια ρουκέτα είναι το γρηγορότερο μέσο φτιαγμένο από τον άνθρωπο που μπορεί να ταξιδέψει στο σύμπαν. Αρκετές ομάδες ερευνητών έχουν κατασκευάσει μια εκδοχή, σε νανοκλίμακα, της ρουκέτας με υψηλή ταχύτητα και κατευθυνόμενη από ένα τηλεχειριστήριο, συνδυάζοντας νανοσωματίδια με βιολογικά μόρια.
Σε μια περίπτωση, το σώμα της ρουκέτας ήταν φτιαγμένο από μια χάντρα πολυστυρενίου καλυμμένη με χρυσό και χρώμιο. Αυτό συνδέθηκε με πολλά μόρια «καταλυτικής μηχανής» χρησιμοποιώντας μέρη γενετικού υλικού. Όταν μπήκαν σε ένα διάλυμα οξυζενέ, τα μόρια που λειτουργούν ως μηχανές προκάλεσαν μια χημική αντίδραση που οδήγησε στην παραγωγή φυσαλίδων οξυγόνου, αναγκάζοντας τη ρουκέτα να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η εκτόξευση μιας ακτίνας υπεριώδους φωτός σε μια πλευρά της ρουκέτας κάνει το γενετικό υλικό να διασπάται, διαχωρίζοντας τις μηχανές και αλλάζοντας την κατεύθυνση της ρουκέτας. Οι ερευνητές ευελπιστούν να αναπτύξουν περαιτέρω τη ρουκέτα, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κάθε περιβάλλον, για παράδειγμα να χορηγήσει φάρμακα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του σώματος.
Μαγνητικά νανο-οχήματα για τη μεταφορά φαρμάκων
Η δική μου ερευνητική ομάδα είναι ανάμεσα σε εκείνες που εργάζονται για έναν απλούστερο τρόπο χορήγησης φαρμάκων μέσα στο σώμα που ήδη εξερευνείται με μαγνητικά νανοσωματίδια. Τα φάρμακα δίνονται με ένεση σε ένα μαγνητικό περίβλημα που μπορεί να επεκταθεί με την παρουσία ζέστης ή φωτός. Αυτό σημαίνει ότι μόλις μπουν στο σώμα, μπορούν να οδηγηθούν σε μια συγκεκριμένη περιοχή με τη χρήση μαγνητών και στη συνέχεια να ενεργοποιηθούν ώστε να επεκταθούν και να χορηγήσουν το φάρμακο που έχουν.
Αυτή η τεχνολογία επίσης μελετάται για τις απεικονίσεις στην Ιατρική. Δημιουργώντας τα νανοσωματίδια ώστε να συγκεντρωθούν σε κάποιους ιστούς και εξετάζοντας μετά το σώμα με τη μαγνητική τομογραφία θα μπορούσαν να αποκαλύπτουν προβλήματα όπως ο διαβήτης.
