Nano-architekti dizajnujú materiály, ktoré môžu spoločne fungovať aj vo veľmi malých rozmeroch, ako napríklad tieto prepojené ozubené kolieska skladajúce sa z uhlíkových vlákien a molekúl benzénu. (NASA)
Keď chcel Thomas Edison nájsť náplň do svojej žiarovky, prehľadal celú zemeguľu, aby zozbieral tisícky kandidátov predtým, ako sa rozhodol pre bambus. (Bolo to roky predtým ako boli ľudia schopní správne používať volfrám.) To je náš tradičný spôsob získavania materiálov. Vybrali sme kamene pre sekery, narúbali sme drevo pre domy a vyrezali sme nástroje z kostí.
Potom sme sa naučili syntetizovať z pôvodných materiálov nové, ako napríklad vypáliť hlinu do podoby tehly alebo nádoby. Do nášho repertoáru vstúpili aj plastické materiály ako napríklad umelo vyrobená vlna, kyseliny alebo drevený decht.
Hľadanie neobvyklých materiálov sa presunulo do vedeckých laboratórií. Výskum sa stal oveľa účinnejším, keď Albertus Magnus (údajne) vytvoril Kameň mudrcov, avšak postup výroby zostáva stále nevyriešenou záhadou. Skúšali sme kombinácie rôznych ingrediencií, kombinovanie zahrievania, miešania a iných procesov dúfajúc, že nejaký z nich zaberie.
Jeden z najskorších materiálových vedcov: Albertus Magnus. (Sailko, CC BY-SA)
Za niekoľko posledných desaťročí sme vyprodukovali, pomocou vysoko organizovaného a automatizovaného systému zvaného „kombinačná chémia“, širokú škálu nových liekov a materiálov ako napríklad pokovovanie automobilov, materiály na uskladnenie vodíka, materiály na solárne články, zliatiny kovov a organické farbivá.
Architekti a inžinieri nečakajú vo výskume na šťastnú náhodu, aby mohli vytvoriť nový most, ktorý vydrží záťaž 10-tonového nákladného vozidla. Používajú overené princípy, papier a ceruzku (a software) aby navrhli dizajn, ktorý si môžu overiť výpočtami a dedukciou, vďaka čomu dosiahnu požadované špecifikácie.
Dnešní chemici a materiáloví technológovia používajú podobný postup, posúvajúc vpred revolúciu v oblasti materiálov.
Výzvy v plánovaní dizajnu a stavby
Jednou z veľkých technologických výziev tohto storočia je vytvoriť nový materiál tak, aby uspokojil požadované špecifikácie – a potom, keď je materiál nasyntetizovaný, aby tie špecifikácie aj naozaj spĺňal.
Tak ako stavitelia dokážu postaviť dom z tehál, trámov a malty pomocou stavebných plánov, ktoré ukazujú kam pôjdu tehly a kam trámy, tak aj vedci vymýšľajú syntetizovanie materiálov z molekúl pomocou plánov, ktoré indikujú kam pôjdu „molekulové stavebné častice“.
Ale je tam problém. Na rozdiel od tehiel, trámov a malty nemôžu ľudia svojimi rukami chytiť atómy a molekuly a umiestniť ich do nejakej štruktúry.
Musí sa to urobiť nepriamo, podobne ako moderná stavba: tak ako máme žeriavy, kladky a iné zariadenia na manipuláciu s trámami, panelmi a pripravenými modulmi, takisto potrebujeme zariadenia aj na manipuláciu s atómami alebo molekulami, aby sme ich mohli premiestniť na miesto – a pospájať ich dohromady.
Práca s DNA
Zoberme si jeden (veľmi pekný) príklad: DNA. So súčasnou technológiou môžeme s DNA manipulovať oveľa ľahšie ako s inými materiálmi. Počas zopár posledných desaťročí sme vyvinuli viacero spôsobov ako manipulovať s molekulami DNA.
V roku 1980 sa Nadrian Seeman pozrel na obraz „Depth (Hĺbka)“ od M.C. Eschera, ktorý predstavuje nekonečné pravidelné usporiadanie rýb a rozhodol sa ho vytvoriť – a vskutku to dokázal o tri desaťročia neskôr.
Medzičasom vyrobil kocku z DNA a Paul Rothemunde vyrobil z DNA smajlíka, Leonard Adleman ukázal ako môže DNA vypočítať nejaké veci a vyrástla celá komunita, ktorá vytvorila nano-veci z DNA.
Vľavo: dizajn jednej časti nanomriežky vyrobenej z DNA. Vpravo: mriežka, tak ako je videná pod atómovým mikroskopom. (Strong, 2004, CC BY)
Rothemundov smajlík bol akoby predzvesťou vecí, ktoré prídu. Napríklad druh nano-textílie s veľmi dlhým vláknom DNA, viackrát preloženým tam a späť, takže vytvára kruh. Dvesto krátkych vlákien - „nitiek“ - drží vlákno pohromade.
Nie je to len povrchová časť(dlhá časť so všetkými tými záhybmi a strapcami), ktorá je pokrokovo dizajnovaná. Každý reťazec DNA má svoj vlastný kód, ktorým sa dá kontrolovať, ako sa budú spájať rôzne reťazce DNA.
Kódy dlhých reťazcov a vlákien sú moderne prepočítavané a pomocou takýchto návrhov sa syntetizujú reťazce tak, aby dosahovali požadovanú štruktúru.
K ešte zložitejším komponentom
Medzičasom chemici a materiáloví technológovia napredujú s ťažšie ovládateľnými materiálmi, ako sú proteíny a kryštály.
Napríklad pred dekádou páni Omar Yaghi, Michael O'Keeffe so svojimi štyrmi kolegami publikovali vyhlásenie o „retikulárnej syntéze“ v prírode.
Pozorovali, že kryštály majú pravidelnú molekulovú štruktúru a navrhli chemikom vytvoriť dizajn štruktúry a podľa tohto návrhu vyrobiť kryštály.
Jedným z hlavných úsilí je vyrobiť pórovitý kryštál, ktorý môže slúžiť ako bezpečný a stabilný zásobník pre autá poháňané vodíkom. (Pórovité kryštály s nano štruktúrou kanálov a komôrok nie sú ničím výnimočným: nájdete ich v katalyzátore svojho auta alebo dokonca v búde pre mačky.)
Mnohé technologické výzvy vyžadujú nové materiály so špecifickými vlastnosťami, či už sa jedná o nové lieky, solárne panely, počítačové čipy alebo povrch lietadiel.
Keď vidíme progres v oblasti medicíny, energetiky, výkonu počítačov a v doprave, revolučné objavy materiálov sú dôležitou súčasťou vedeckého procesu.
Gregory McColm je výnimočný profesor matematiky a štatistiky na univerzite v južnej časti Floridy. Článok bôl pôvodne publikovaný na stránkach The Conversation.
