Znajdź zawartość

Czy możliwe jest, żeby kopnięta sterta cegieł poukładała się sama, tworząc chodnik? Nie bardzo. Jeszcze mniej prawdopodobne jest, żeby cegły same utworzyły budynek. Tymczasem w skali nano jest to możliwe i uczyniono pierwszy krok ku takiej technologii. Cząsteczki chemiczne mają tę przewagę nad cegłami, że same się łączą w różne struktury. Trudno jednak zmusić je do tworzenia struktur takich, jakie byśmy chcieli. W dwóch wymiarach takie sztuczki już się udawały: kiedy w cienką warstwę jakiejś substancji wrzucamy odpowiednio dobraną cząsteczkę „gościnną", cząsteczki samorzutnie zorganizują się wokół takiego wtrącenia. Takie struktury jednak pozostawały zawsze dwuwymiarowe, a w nanotechnologii chcemy tworzyć struktury trójwymiarowe. Naukowcy z brytyjskiego University of Nottingham po czterech latach badań jako pierwsi osiągnęli przełom, zmuszając cząsteczki do samorzutnej organizacji w struktury trójwymiarowe. Udało im się to osiągnąć, pokrywając powierzchnię jednocząsteczkową warstwą molekuł kwasu tetrakarboksylowego i wrzucając w nią cząsteczki fulerenu C60(tzw. buckyball, sferyczna, pusta w środku cząsteczka złożona z 60 atomów węgla). Cząsteczki kwasu automatycznie organizują się wokół boków kulistego fulerenu. To sposób na tworzenie dodatkowych warstw cząsteczek i znaczący krok w kierunku samoorganizujących się nanostruktur. Nie jest to pierwsze osiągnięcie profesora Neila Champnessa i jego zespołu. Wcześniej odkryli oni, jak wykorzystać wiązania wodorowe do łączenia cząstek DNA w molekularne struktury, a niedawno opublikowali studium opisujące, jak nieregularne cząsteczki są adsorbowane na strukturach powierzchniowych. Studium na temat tworzenia trójwymiarowych, samoorganizujących się struktur ukazało się w prestiżowym periodyku Nature Chemistry.

Brak wody pitnej to problem wielu rejonów świata. Niestety, jednocześnie większość z nich jest zbyt biedna, żeby w pełni rozwiązać ten problem. Częstym przypadkiem jest brak możliwości, technologii a zwłaszcza pieniędzy na stworzenie sieci wodociągowej, stacji uzdatniania wody, czy podobnej infrastruktury. Wynalazek południowoafrykańskich naukowców - saszetka wielkości torebki herbaty - ma umożliwić uzdatnienie nawet bardzo brudnej wody tanio i skutecznie. Autorem rozwiązania jest Eugene Cloete, wykładowca Stellenbosch University w RPA, mikrobiolog, specjalista od systemów uzdatniania wody i nanotechnologii. Właśnie nanotechnologia jest kluczem do opracowanego filtra. Saszetka ma taki kształt i wielkość, że można ją łatwo dopasować do typowej szyjki butelki. Specjalna kompozycja materiałów: węgla aktywowanego oraz przede wszystkim bakteriobójczych nanowłókien pochłania zanieczyszczenia i zabija mikroorganizmy. Jak zapewnia Marelize Botes, jedna torebka wystarcza do oczyszczenia całej butelki nawet bardzo brudnej wody. Po oczyszczeniu woda ma być równie wysokiej jakości, jak kupowana woda butelkowana. Zużyty filtr może być bezpiecznie wyrzucony - rozkłada się w ciągu kilku dni, nie pozostawia śladu i nie jest toksyczny dla człowieka. Celem Eugene Cloete'a było stworzenie taniej metody, prostej w użyciu i niewymagającej infrastruktury. Docelowy koszt ma wynosić około pół centa amerykańskiego za sztukę, co jest ceną przystępną nawet dla bardzo ubogich terenów. Obecnie trwają badania wynalazku przez południowoafrykańską instytucję standaryzującą. Jeśli zakończą się pomyślnie - w co twórcy wierzą - przetestowany filtr ma trafić do sprzedaży jeszcze w tym roku.

Nie kończą się nowe pomysły i koncepcje na zastosowanie grafenu - pojedynczej warstwy atomów węgla - w nanotechnologii. Do listy jego wielu atrakcyjnych cech trzeba dodać jeszcze jedną: dobrze współpracuje z DNA. Stworzenie nowych bioczujników, pozwalających na szybkie i bezbłędne identyfikowanie przyczyn chorób, to zajęcie wielu naukowców i laboratoriów na świecie. Narodowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku, należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Princeton osiągnęły w tej dziedzinie wymierny sukces, łącząc grafen z ludzkim DNA. Podczas badań okazało się, że pojedyncza spirala DNA silnie i trwale łączy się z powłoką grafenową. To podsunęło myśl do sporządzenia czujnika, wykrywającego konkretne DNA w badanych próbkach. Pojedyncza spirala DNA z genu poszukiwanego czynnika chorobotwórczego jest umieszczana na powierzchni grafenu. Ponieważ naturalnym stanem cząstek DNA jest podwójna spirala, oddzielona nitka „poszukuje" odpowiadającej sobie pary. Zatem kiedy taki czujnik zanurzymy w krwi, lub innym płynie ustrojowym, umocowana na grafenie pojedyncza nić DNA będzie działać jak bardzo wybiórczy haczyk, łapiący swój odpowiednik. Jeśli poszukiwany czynnik „złapie przynętę" i przyczepi się do czujnika, ten generuje sygnał, który można zarejestrować. Sprawdzono, jaka jest czułość i wybiórczość projektowanego bioczujnika. Podczas prób z dołączanymi do wolno pływających nici DNA fluorescencyjnymi molekułami wykazano, że „łapanie" dokładnie poszukiwanych fragmentów jest dwukrotnie silniejsze niż łapanie fragmentów jedynie podobnych, które mogłyby fałszować wyniki. Zbadano też trwałość takiego czujnika - i tu dokonano kolejnego rewelacyjnego odkrycia. Okazało się, że grafen stanowi doskonałą ochronę nici DNA. Podczas prób z DNAzą - enzymem trawiącym DNA - okazało się, że podczas gdy wolno pływające nici są rozkładane natychmiast, nici DNA przytwierdzone do grafenowej powierzchni unikają zniszczenia przez 60 minut. Prostota działania i wykonania, oraz wysoka trwałość i skuteczność mogą sprawić, że rozpowszechnienie się tego typu czujników stanie się przełomem w diagnostyce medycznej. Nie koniec to jednak planów zespołu badawczego związanych z odkrytymi właściwościami grafenu. Skoro grafen tak dobrze współdziała z DNA, chcą poszukać sposobu na jej wykorzystanie do dostarczania leków bezpośrednio do chorych komórek, a może nawet wykorzystanie jej w terapii genowej.

Złoto od zawsze było drogim symbolem zbytku i luksusu. Dziś zyskuje nowe znaczenie, jego właściwości są coraz szerzej wykorzystywane w nowoczesnych technologiach. Począwszy od pozłacania styków, które dzięki temu nie śniedzieją i nie przerywają (kto pamięta, że dawniej klawiatury komputerów miały złocone styki?), aż po... no właśnie, gdzie jest granica zastosowania złota? Wyobrażacie sobie złoto w podeszwach waszych butów? No to wyobraźcie. Dr Adrian Fuchs ze Szkoły Nauk Fizycznych i Chemicznych Uniwersytetu Technologicznego w Queensland opracował nową technologię, może nie sensacyjną, ale mająca wiele zastosowań praktycznych. Australijski uczony odkrył sposób skutecznego rozpraszania nanocząstek metali w tworzywach sztucznych, jak polimery, czy plastik. Nowa metoda pozwoli uzyskiwać materiały o doskonałych, czy niespotykanych właściwościach. Pierwsze, co się narzuca, to materiały o zwiększonej wytrzymałości. Trwała i bardziej kolorowa farba, nie pękające plastikowe obudowy, elastyczne, ale nie ścierające się podeszwy butów. Farba - jak mówi odkrywca - to w zasadzie plastik, dodanie do niej nanocząstek złota powoduje, że kolory z całego widzialnego spektrum stają się bardziej intensywne, a sama farba odporna na trudne warunki środowiskowe. Właściwości metali zmieniają się w nanoskali, łącząc unikalne cechy nanocząstek z tworzywami sztucznymi uzyskujemy całkiem nowe materiały kompozytowe. To pozwoli na opracowanie nie tylko nowych, lepszych powierzchni ochronnych, ale na przykład lepiej działających leków, czy nowatorskich katalizatorów. Doskonałe przewodnictwo złota pozwoli właśnie, wg dra Fuchsa, po wymieszaniu z cząsteczkami innych metali, uzyskać nowe rodzaje katalizatorów. Nanocząstki złota i ditlenku tytanu zatopione w polimerze tworzą bardzo efektywny katalizator oczyszczający wodę; ditlenek tytanu pochłania światło i przekształca je w prąd elektryczny, który jest dalej przewodzony przez złoto. Zatapianie nanocząstek w plastikowych kapsułkach pozwoli na lepsze dozowanie leków przeciwnowotworowych, które będą same wyszukiwać ogniska chorobowe. Szybsze i tańsze komputery dzięki nowym rodzajom układów elektronicznych, lepsze wyświetlacze w telewizorach i monitorach i wiele innych możliwości otwiera się przed technologami. Nanocząstki złota i innych metali już niedługo będą powszechne w naszym otoczeniu.

Badacze na całym świecie nie ustają w pracach nad rozwojem nanotechnologii. Nanomateriały o nieosiągalnych dotąd strukturach już rewolucjonizuję naukę i technologię, ale ambicje są większe. Mikroskopijnej, nanometrowej wielkości urządzenia to niełatwy cel, ale jego osiągnięcie będzie kolejną rewolucją. Od dawna duże nadzieje pokładane są w specyficznych związkach chemicznych, zwanych rotaksanami, które mogą stanowić „trybiki" nanourządzeń. Rotaksanami od dawna zajmowała się chemia organiczna. Są to związki będące połączeniem dwóch cząsteczek, ale połączeniem nie chemicznym, a mechanicznym. Jedna z nich stanowi jak gdyby oś ze zgrubieniami, „stoperami" na końcach, na niej umieszczona jest druga cząsteczka na podobieństwo koła na osi, które nie spada dzięki stoperom. Podobieństwo do znanych nam układów mechanicznych daje nadzieje na wykorzystanie ich do budowy bardziej skomplikowanych struktur i urządzeń. Zbudowaniem nowych, lepszych rotaksanów zajęli się naukowcy z Life & Medical Sciences Institute (LIMES) na uniwersytecie w Bonn: dr Damian Ackermann oraz prof. Michael Famulok. Ich pomysł na udoskonalenie tych związków to wykorzystanie do ich budowy znanych nam samoorganizujących się cegiełek: DNA. Ale nie interesowała ich tym razem zdolność DNA do przenoszenia informacji genetycznej. Skupili się na szczególnych mechanicznych właściwościach helisy DNA: jej podwójna spirala jest wyjątkowo stabilną i trwałą strukturą. Można nią operować niemal dowolnie: rozdzielenie dwóch strun w dowolnym miejscu pozwala utworzyć punkty połączeń z innych fragmentami i związkami, pełniącymi inne funkcje. W ten sposób można teoretycznie utworzyć bardzo złożoną strukturę, czy maszynerię. Badacze porównują to do budowania z klocków, dających szerokie możliwości. Tak właśnie prezentuje się nowy rodzaj rotaksanu, stworzony przez niemieckich biochemików. Osadzone na „ośce" kółko może się swobodnie obracać. Skoro mamy już oś i koło, to pora, żeby zaczęło się obracać, mamy na to kilka pomysłów. - mówią autorzy sukcesu - Naszym następnym celem jest skonstruowanie systemów, w których będzie można kontrolować ruch w nanoskali. Możliwe będzie także łączenie tych mechanicznych „trybików" z systemami biologicznymi, jak białkami. Jakie będą ostateczne rezultaty - jeszcze nie wiadomo, przed badaczami długa droga. Ale jest to znaczący przełom i fundamenty pod projektowanie różnych nanomechanicznych systemów opartych na mechanicznych właściwościach podwójnej spirali DNA. Mechanizmów, które do tej pory wydawały się nie możliwe.

Strzykawka to dla wielu osób koszmar. A na pewno dla większości dzieci, zwłaszcza tych małych, którym trudno wytłumaczyć konieczność kłucia. Na horyzoncie pojawił się jednak nowy sposób, który ma szansę odesłać strzykawkę i igłę do lamusa, przynajmniej w przypadku podawania szczepionek. To oczywiście zasługa nanotechnologii, a wynalazek, nazwany „nanołatką" jest dziełem Marka Kendalla, wykładowcy w Australijskim Instytucie Bioinżynierii i Nanotechnologii na Uniwersytecie w Queensland. Nanołatka ma wielkość znaczka pocztowego i jest zupełnie bezbolesna; eliminuje konieczność kłucia - co ma niebagatelne znaczenie w przypadku szczepień dzieci, upraszcza i przyspiesza aplikację do maksimum i - co ważne - pozwala na zastosowanie sto razy mniejszej ilości preparatu! Nanołatka działa na specyficzne komórki uruchamiające antygeny, znajdujące się w cienkiej warstwie tuż pod powierzchnią skóry, w rezultacie potrzeba nam jedynie jednej setnej dawki stosowanej przy tradycyjnym zastrzyku, a uzyskujemy porównywalną reakcję odpornościową - mówi prof. Kendall. - Nasze wyniki są dziesięciokrotnie lepsze niż jakakolwiek inna znana metoda aplikacji szczepionek i nie wymaga ani użycia dodatkowych substancji wzmacniających reakcję (adiuwantów), eliminuje też konieczność powtarzania szczepień. Nanołatka nie wymaga ani wykwalifikowanego personelu do aplikowania, nie wymaga przechowywania w lodówkach. To niewiarygodny potencjał taniego szczepienia ludzi w krajach rozwijających się. Sekretem małej nanołatki są tysiące mikroskopijnych, niewidocznych gołym okiem aplikatorów. Podczas testów szczepionki przeciwko grypie pokrywano na sucho te aplikatory preparatem i przykładano na skórę myszy na dwie minuty. Wynalazek jest prosty i tańszy w produkcji od zestawi igła + strzykawka, wydajność i brak wymagań czynią z niego idealny środek aplikowania szczepionki na przykład w przypadku pandemii. Można sobie wyobrazić nawet rozsyłanie szczepionej pocztą. Kiedy wynalazek zostanie wprowadzony na rynek, jeszcze nie wiadomo, ale na pewno będzie to przełom w leczeniu i profilaktyce chorób. W zespole profesora Marka Kendalla współpracowali naukowcy z Instytutu Badań Raka, Immunologii i Medycyny Metabolicznej Uniwersytetu w Queensland oraz Fakultetu Nauk o Zdrowiu oraz Uniwersytetu w Melbourne. Praca powstała przy wsparciu instytucji rządowych: Australian Research Council, the National Health and Medical Research Council oraz Queensland Government's Smart State Scheme.

Jedną z najważniejszych barier utrudniających stosowanie nanorobotów aktywnych wewnątrz organizmu jest brak technologii umożliwiających wygodne i bezpieczne ładowanie akumulatorów bez konieczności usunięcia urządzenia z ciała pacjenta. Sytuacja ta może się jednak zmienić dzięki opracowanemu niedawno ogniwu fotowoltaicznemu zdolnemu do pobierania energii niezbędnej do jego pracy przez skórę. Autorami urządzenia są badacze z szanghajskiego Uniwersytetu Donghua oraz Instytutu Maxa Plancka w Poczdamie. Sekretem wynalazku jest możliwość przekazywania energii pod postacią fal podczerwonych, nie zaś światła widzialnego, jak w przypadku tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych. Próba opracowania ogniw zasilanych podczerwienią nie była działaniem przypadkowym. Fale te przenikają bowiem przez skórę wielokrotnie lepiej od światła widzialnego. Problemem od kilku lat pozostawało jednak stworzenie ogniw zdolnych do pochłaniania promieniowania o takiej długości fali. Pochłaniające światło materiały opracowane z myślą o ogniwach słonecznych, takie jak krzem czy niektóre barwniki, nie są w stanie efektywnie pochłaniać światła z zakresu bliskiej podczerwieni. (...) W odróżnieniu od nich, światło takie mogą pochłaniać niektóre fosforyzujące nanomateriały na bazie pierwiastków ziem rzadkich, które wykazują następnie luminescencję w zakresie światła widzialnego, tłumaczy jeden z autorów nowego typu ogniw, Zhigang Chen. Do wytworzenia nowego rodzaju ogniw wykorzystano kryształy o wzorze chemicznym Na(Y1.5Na0.5)F6:Yb,Er. Pochłaniają one padające na nie światło podczerwone, a następnie wypromieniowują pochłoniętą energię w postaci światła widzialnego. To ostatnie jest z kolei pochłaniane przez pokryte specjalnym barwnikiem nanocząstki ditlenku tytanu, na powierzchni których powstaje ładunek elektryczny, który jest przekazywany do elektrod wyprowadzających prąd z ogniwa. Wydajność prototypu testowano poprzez oświetlanie go laserem o mocy 1W przez warstwy świńskich jelit o grubości od ok. 1 mm do ok. 6 mm, symulujących ludzką skórę. Jak się okazało, pomiędzy elektrodami udało się w ten sposób wytworzyć prąd o mocy od 0,02 do 0,28 mW. Wydaje się, że to niewiele, lecz wartość taka powinna wystarczyć do zasilania wielu rodzajów nanorobotów oraz innych rodzajów implantów. Szczegółówy opis urządzenia opublikowało czasopismo Advanced Functional Materials.

Ray Kurzweil, znany amerykański wynalazca i futurolog uważa, że dzięki rozwojowi nanotechnologii i lepszemu rozumieniu działania organizmu, ludzie już za 20 lat mogą stać się... nieśmiertelni. Kurzweil podkreśla, że technika i nauki biologiczne rozwijają się obecnie niewiarygodnie szybko. W tym tempie za dwie dekady możemy być w stanie przeszczepiać wszystkie ważne do życia organy. Dodaje, że jego przewidywania mogą wydawać się zbyt daleko idące, ale musimy pamiętać, że sztuczna trzustka czy implanty neuronów są już w tej chwili dostępne. Ja i wielu naukowców sądzimy, że za około 20 lat będziemy dysponowali możliwościami przeprogramowania naszych ciał, które wykorzystują 'oprogramowanie' z epoki kamienia, tak, by powstrzymać, a następnie odwrócić, proces starzenia się. Nanotechnologia pozwoli nam żyć wiecznie - twierdzi Kurzweil. W przyszłości nanoboty zastąpią komórki krwi i będą pracowały tysiące razy bardziej efektywnie od nich. Za 25 lat ludzie będą w stanie biegać sprintem na Igrzyskach Olimpijskich bez zaczerpnięcia oddechu przez 15 minut i całymi godzinami nurkować bez butli tlenowych - dodaje. Zdaniem futurologa ofiary ataków serca, które nie skorzystały wcześniej z szeroko dostępnych bionicznych serc, będą spokojnie mogły udać się do lekarza na drobny zabieg, gdyż nanoboty zastępujące krew będą utrzymywały je przy życiu.

Technika DNA origami, czyli tworzenie struktur przestrzennych z wykorzystaniem odpowiednio przygotowanych nici kwasu deoksyrybonukleinowego, osiągnęła nowy poziom rozwoju. Dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez badaczy z Brigham Young University (BYU) z cząsteczek DNA udało się stworzyć kompleksy przypominające swoim kształtem... litery alfabetu. Dlaczego tworzenie tak błahych struktur jest w ogóle traktowane jako badania naukowe? Odpowiedź jest prosta: ich powstanie jest dowodem na możliwość tworzenia nanocząstek o ściśle zaplanowanym kształcie i wielkości oraz wartości kątów pomiędzy poszczególnymi elementami. Potencjalne zastosowania dla takich konstrukcji są niezliczone i obejmują m.in. tworzenie mikroskopijnych przewodów elektrycznych czy gotowych części do nanomaszyn. Cząsteczki DNA origami powstają w wyniku działania zasady komplementarności. Zgodnie z nią, dwie jednoniciowe cząsteczki DNA (lub dwa odcinki tej samej nici) łączą się ze sobą niczym połowy zamka błyskawicznego i tworzą nić podwójną tylko wtedy, gdy ich fragmenty zawierają wzajemnie dopasowaną (komplementarną) sekwencję zasad azotowych. Synteza cząsteczek o odpowiedniej sekwencji zasad umożliwia więc stworzenie kompleksu o ściśle zaplanowanych miejscach łączenia się nici. W praktyce okazuje się, że sama zasada komplementarności nie wystarcza, by stworzyć wiele nieskomplikowanych, lecz ważnych kształtów, takich jak np. kąt prosty. Naukowcy z BYU znaleźli jednak sposób na rozwiązanie tego problemu. Aby uzyskać wiązki DNA rozchodzące się pod kątem ok. 90°, zsyntetyzowano cząsteczki, w których połączeniu w paru ulegały długie sekwencje zasad. Powstanie takich struktur oznaczało usztywnienie całej nici, dzięki czemu powstały "linie proste". Miejsca, w których zasady azotowe pochodzące z poszczególnych odcinków nie uległy połączeniu w pary, były znacznie bardziej elastyczne i stawały się naturalnymi "zawiasami", w których dochodziło do wygięcia nici. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu miejsc "zawiasowych" udało się rozłożyć wewnętrzne naprężenia wewnątrz cząsteczki tak, by najkorzystniejszą termodynamicznie (a więc przyjmowaną w większości przypadków) konfiguracją było wygięcie tych regionów pod kątem prostym. Efektem pracy naukowców z Brigham była synteza cząsteczek przypominających swoim kształtem inicjały nazwy ich uczelni: BYU. Z pozoru jest to tylko niewinna zabawa, lecz ukazuje ona ogromny potencjał tkwiący w nowej wersji DNA origami. Choć metoda "składania" DNA jest wciąż w powijakach, już dziś można przewidzieć jej możliwe zastosowania. Wytworzone cząsteczki mogą posłużyć np. jako rusztowania, na których osadzana będzie warstwa przewodnika elektrycznego, z którego powstanie następnie miniaturowy przewód W podobny sposób, tylko z wykorzystaniem materiałów o większej wytrzymałości mechanicznej, można by produkować elementy nowoczesnych maszyn lub różnego rodzaju tworzywa. Nietrudno więc zauważyć, że umiejętne manipulowanie podstawowym nośnikiem informacji biologicznej daje nam znacznie więcej, niż tylko możliwość kontrolowania procesów zachodzących w organizmach żywych. Zdjęcia cząstek stworzonych przez badaczy z BYU są dostępne na tej stronie.

W dzisiejszych czasach trudno wyobrazić sobie dziedzinę, w której nie znalazłoby się zastosowania dla nanotechnologii. Na rozwoju tej nauki mogą skorzystać także mikrobiolodzy, o czym świadczy aparat zaprezentowany przez naukowców z Universitat Rovira i Virgili w hiszpańskiej Tarragonie. Stworzony przez Hiszpanów prototyp, opisany na łamach międzynadorowego wydania czasopisma Angewandte Chemie jest zdolny do wykrywania bakterii Salmonella typhi, odpowiedzialnych za ciężkie i trudne do wyleczenia infekcje u ludzi. Zaprezentowany aparat jest tak czuły, że nie stanowi dla niego większego problemu detekcja nawet pojedynczej komórki bakteryjnej znajduącej się w badanym materiale. Sercem opracowanego urządzenia są nanorurki o ścianach zbudowanych z pojedynczej warstwy atomów węgla. Ich wnętrze zostało zmodyfikowane na drodze chemicznej, a następnie przyłączono do niego aptamery - syntetyczne fragmenty RNA zaprojektowane w celu wybiórczego wiązania jednego z antygenów znajdujących się na powierzchni komórek S. typhi. Wykrywanie bakterii odbywa się dzięki pomiarowi zmian siły elektromotorycznej podczas przyłączenia się bakterii do aptamerów. Odczyt niezbędnych parametrów odbywa się w czasie rzeczywistym i jest na tyle precyzyjny, że możliwe jest dokładne określenie liczby komórek znajdujących się w badanej próbce. Istotny jest także fakt, iż opracowany sensor jest wysoce swoisty, tzn. nie wykrywa bakterii należących do gatunków innych niż S. typhi. Hiszpańscy badacze nie sprecyzowali, czy - i jeśli tak, to kiedy - ich wynalazek mógłby trafić na rynek. Jeżeli jednak będzie on tak skuteczny, jak wynika z dotychczasowych eksperymentów, możemy być niemal pewni, że jego jego komercjalizacja stanie się faktem.

Miniaturowy, napędzany bezprzewodowo robot, zdolny do kontrolowanego poruszania się w cieczach, został opracowany przez badaczy z Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurichu. Długość nanomaszyny to zaledwie 20 mikrometrów (μm). Wynalazek nazwano sztuczną wicią bakteryjną (ang. Artificial Bacterial Flagellum - ABF), gdyż swoim kształtem rzeczywiście przypomina organellum umożliwiające niektórym bakteriom poruszanie się w wodzie. Wykonano go jednak z innych materiałów - do jego produkcji wykorzystano metale stosowane zwykle w komponentach elektronicznych. Produkcja ABF rozpoczyna się od przygotowania płytki złożonej z arsenku galowo-indowego (InGaAs) nałożonego na warstwę arsenku galu (GaAs). Dzięki procesom fotolitografii oraz rytownictwa wycina się z niej fragment, z którego powstanie później korpus wici. Zanim jednak urządzenie będzie gotowe do użycia, do jednego z końców wyciętego elementu przyłączana jest główka zbudowana z mieszaniny chromu, niklu i złota. Przygotowany materiał jest odcinany od podłoża za pomocą mikromanipulatora. Po umieszczeniu w wodzie automatycznie przyjmuje on następnie swój charakterystyczny helikalny kształt. Do poruszania ABF wykorzystywane są zsynchronizowane za pomocą komputera generatory pola magnetycznego. Sterują one kierunkiem obracania się metalowej główki nanomaszyny oraz pozwalają jej na skręcanie. Możliwe jest dzięki temu precyzyjne nawigowanie urządzeniem w roztworze wodnym: Jak oceniają autorzy ABF, jego udoskonalone wersje mogą znaleźć zastosowanie w medycynie. Rzeczywiście, nietrudno wyobrazić sobie podobną nanomaszynę, która dostarcza leki do ściśle określonych miejsc w organizmie lub przeprowadza w jego wnętrzu nieskomplikowane zabiegi chirurgiczne. Science fiction? Dziś z pewnością tak, ale za kilka lat...

Holenderski naukowiec Frans Kampers przekonuje, że żywność, którą zawdzięczamy nanotechnologii, jest zdrowsza i lepiej wchłaniana przez organizm. Wg niego, problem polega na tym, że ludzie nie rozumieją, jakim modyfikacjom podlega pokarm i obawiają się, że może im zaszkodzić. Niemal każdy uważa, że nanotechnologia to nanocząsteczki, a te są niebezpieczne. I tak rodzi się obawa, że nanocząsteczki w pokarmie mogą niekorzystnie oddziaływać na zdrowie. Kampers wyjaśnia jednak, że dzięki tej dziedzinie nauki można zmodyfikować skład produktu w taki sposób, by uwalnianie wartościowych substancji stało się bardziej wydajne, a związki niepożądane przechodziły przez organizm niemal niezauważenie. Co więcej, wszystkie nanostruktury projektuje się tak, by ulegały rozłożeniu podczas trawienia. Holender podkreśla, że europejscy specjaliści uzyskiwali już konstrukcje, które pozwalały na dostarczenie składników odżywczych do konkretnych lokalizacji, co zapewniało maksymalny efekt. Zachowując obiektywizm, Kampers wspomina także o kontrowersjach związanych z nanocząsteczkami, w tym o wykorzystywaniu metali, np. srebra, w opakowaniach. Zabieg ten ma spowolnić psucie, a zatem wydłużyć okres przydatności do spożycia. Ekspert uważa jednak, że zanim upowszechni tę technologię, trzeba lepiej poznać kinetykę i dynamikę nanocząsteczek. Trzeba się upewnić, że nie przedostają się one z opakowania do pokarmu lub napoju.

Nie tak dawno pisaliśmy o miniaturowym ciśnieniomierzu, który swobodnie mieści się we wnętrzu tętnicy udowej. Tym razem badacze z Uniwersytetu Purdue proponują nanotechnologiczny implant pozwalający na pomiar innego ważnego parametru - poziomu glukozy we krwi. Urządzenie wykorzystuje niezwykle wysokie przewodnictwo elektryczne węglowych nanorurek oraz tzw. biokompatybilność złota, czyli brak zdolności organizmu do jego wykrycia i uruchomienia reakcji immunologicznej. Jak twierdzą autorzy prototypu, pozwala on na osiągnięcie precyzji pomiaru niespotykanej dotąd w urządzeniach o podobnym stopniu miniaturyzacji. Produkcja układu zachodzi w kilku etapach. Wyjściowym materiałem do jego wytwarzania jest bloczek wykonany z glinu posiadający wyjątkową, porowatą strukturę, powstający na warstewce tytanu. Kolejny proces polega na wytworzeniu ultraczystych, cienkościennych węglowych nanorurek (cienkie granatowe linie biegnące w poprzek obrazka), które "wyrastają" z pokrytego tytanem dna porów na powierzchnię kanalików. Do powstającej sieci nanorurek przykłada się napięcie, które umożliwia odkładanie się metalu - palladu, które tworzą miniaturowe kryształy na powierzchni sensora (są to widoczne na zdjęciu żółte struktury o kostkowatym kształcie) oraz wewnątrz kanalików. Na jego powierzchni jest z kolei odkładane złoto, które służy jako biokompatybilna baza dla elementu wykrywającego bezpośrednio poziom glukozy. Ostatnią warstwę, przyłączoną do powierzchni czujnika, stanowi enzym - oksydaza glukozy. Przeprowadza ona rozkład glukozy do kwasu glukonowego i nadtlenku wodoru (wody utlenionej). Ta ostatnia rozpada się błyskawicznie z wytworzeniem tlenu oraz dwóch rodzajów jonów: kationów wodorowych H+ oraz anionu tlenowego O2-. Wytworzone jony posiadają ładunek elektryczny, więc ich wytwarzanie objawia się jako zmiana napięcia elektrycznego mierzonego na elektrodach wchodzących w skład urządzenia. To właśnie ilość powstających jonów służy do oceny stężenia glukozy znajdującej się w badanym roztworze. Jak twierdzą badacze z Uniwersytetu Purdue, ich wynalazek jest w stanie wykryć glukozę o stężeniu aż pięciokrotnie niższym, niż inne miniaturowe detektory. Co więcej, urządzenie jest tak małe (najmniejsza jego wersja ma wymiary 0,5 x 0,5 mm), że możliwe jest instalowanie go we wnętrzu naczyń krwionośnych. Teoretycznie umożliwia to wykonywanie pomiarów stężenia cukru w róznych miejscach ciała i w różnych typach naczyń krwionośnych, dzięki czemu ocena stanu zdrowia cukrzyka mogłaby być znacznie bardziej wnikliwa, niż obecnie. Konstrukcja sensora jest wysoce uniwersalna i pozwala na przyłączenie różnych enzymów, które mogłyby wykrywać wiele rodzajów substancji obecnych w krwi czy dowolnym innym roztworze. Potencjalne zastosowanie dla podobnych platform jest więc niemal nieograniczone. Wcześniej konieczne będzie jednak ich przetestowanie i dopuszczenie do użytku, co może zająć nawet kilka lat.

Innowacyjna powłoka pokrywająca powierzchnię implantów może zrewolucjonizować transplantologię - twierdzą autorzy nowej technologii wytwarzania tych "inteligentnych" tworzyw. Metodę opracowali specjaliści z brytyjskiej Rady Nauki i Zakładów Naukowych (STFC). Wytworzony przez nich materiał pozwala na silne i precyzyjne przyłączanie implantów do żywej tkanki kostnej, zmniejszając tym samym ryzyko ich poluzowania lub zaburzenia ich właściwości mechanicznych. Dotychczasowe analizy wskazują, że trwałość tej powłoki zapewnia dożywotnie funkcjonowanie wszczepianego materiału. Wynalazek był możliwy dzięki rozwojowi tzw. electrospinningu - procesu, którego nazwę można przetłumaczyć na nasz język jako "elektrowirowanie". Polega on na wykorzystaniu prądu elektrycznego do tłoczenia półpłynnych substancji i wytwarzania z nich bardzo cienkich nici. Końcowy efekt uzyskuje się dzięki wykorzystaniu specjalnie zaprojektowanych, superwąskich dysz. Uzyskane włókna są następnie splatane podobnie do klasycznych tkanin, lecz ich wytrzymałość jest bez porównania większa. Największym sukcesem specjalistów z STFC było znaczne zwiększenie skali produkcji opisywanego nanomateriału. Technologia pozwala na wytwarzanie go w ilościach pozwalających na pokrywanie miejsca styku implantów ortopedycznych z naturalną kością. Powstający w ten sposób "żywy łącznik" pozwala na uzyskanie lepszego rozkładu naprężeń, zaś wzbogacenie włókien substancjami biologicznie czynnymi pozwala na stymulację wzrostu naturalnej tkanki. Sprawia to, że połączenie staje się po pewnym czasie jeszcze silniejsze. Brytyjscy eksperci utworzyli spółkę The Electrospinning Company Ltd (TECL), której zadaniem jest dalsze udoskonalanie electrospinningu. Co ważne, wszelkie opracowane technologie mają być "otwarte" i dostępne dla wszystkich firm i instytucji chętnych do ich wykorzystania. Bez wątpienia pozwoli to na upowszechnienie tej techniki i wprowadzenie jej do masowego użytku w przemyśle. Bardzo możliwe, że uda się w ten sposób stworzyć także technologie "wirowania" różnych materiałów istotnych dla innych gałęzi przemysłu. Za swój wysiłek badacze z STFC i TECL otrzymali niedawno nagrodę "Medical Futures Innovation Award", przyznawaną dla autorów najbardziej innowacyjnych i obiecujących technologii medycznych. Dr Robert Stevens, szef obu organizacji, nie ukrywa swojej radości: ta nagroda jest istotnym krokiem naprzód z myślą o przyszłości pacjentów wymagających implantów chirurgicznych, a ja jestem prawdziwie przejęty tym, że właśnie ta idea została wybrana za najlepszą spośród kilkuset zgłoszonych propozycji. Nasza nagroda będzie przekazana na dalsze badania pozwalające na spełnienie obecnych i przyszłych potrzeb pacjentów ortopedycznych.

Badacze z Uniwersytetu Stanowego Północnej Karoliny zauważyli, że kropki kwantowe mogą przenikać w głąb skóry, jeśli jest ona w jakiś sposób uszkodzona, np. znajduje się nie otarcie czy ranka. Podaje to w wątpliwość bezpieczeństwo nanotechnologii (Skin Pharmacology and Physiology). Amerykanie z zespołu profesor Nancy Monteiro-Riviere twierdzą, że zjawisko to stanowi zagrożenie dla osób zajmujących się wytwarzaniem kropek kwantowych lub badaniem ich zastosowań w aplikacjach biomedycznych. W ramach studium wykazano, że kropki kwantowe o różnych kształtach, rozmiarach i powłokach nie penetrowały skóry szczurów, dopóki była ona nienaruszona. Wystarczyło jednak niewielkie nawet zadrapanie czy skaleczenie, by cząsteczki przenikały przez warstwy skóry, docierając nawet do krwioobiegu. W ten sposób badano krótkoterminowe oddziaływanie kropek kwantowych na skórę i organizm istot żywych, nadal jednak nie wiadomo, jakie są skutki długofalowej ekspozycji.

Gdy tylko pada słowo "nanotechnologia", zaraz wyobrażamy sobie ultranowoczesne urządzenia elektroniczne, mikroskopijne mechanizmy oraz gadżety rodem z wysokobudżetowych filmów fantastycznych. Rzeczywistość potrafi być jednak dużo bardziej prozaiczna. Dzięki dodatkowi "nano" możemy mieć na przykład... czystszą odzież. Efektem pracy naukowców z Austalii oraz Chin są samoczyszczące odmiany wełny i jedwabiu. Wbrew szumnej nazwie, materiały te nie zostały wzbogacone o nanomechanizmy, lecz specjalny rodzaj impregnatu, bazujący na dwutlenku tytanu (w postaci anatazu), stosowany m.in. w niektórych typach szyb okiennych. Podobnie, jak w wypadku szyb, cząstki tej substancji, mierzące zaledwie 5 nm, rozkładają związki organiczne pod wpływem światła słonecznego. Dzięki tej właściwości, ubrania wykonane z "nanotkaniny" będą łatwe do wyprania i raczej nieprędko nasiąkną nieprzyjemnym zapachem. Oprócz mniejszego zużycia środków czyszczących, pozwolą one także podnieść poziom higieny, są bowiem bakteriobójcze, podczas gdy w zwykłych tkaninach mikroby potrafią przetrwać nawet trzy miesiące. W ramach prób na opisywanym materiale zabrudzono go czerwonym winem. Po 20-godzinnym naświetlaniu plamy niemal zupełnie zniknęły. Dodatkowymi zaletami impregnatu są nietoksyczność, brak wpływu na fakturę tkaniny oraz możliwość trwałego przymocowania go do włókien. Najwięcej kłopotu sprawiła naukowcom ostatnia właściwość. Udało się ją uzyskać przez odpowiednie "aktywowanie" zawartej we włóknach keratyny. Pytani o możliwość wprowadzenia nowych tkanin na rynek, badacze ostrożnie odpowiadają, że stanie się to dopiero wtedy, gdy nowa technologia zostanie przyjęta zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym.

Zespół naukowców z California Institute of Technology w Pasadenie, kierowany przez Ahmeda H. Zewaila informuje o ciekawym zjawisku zarejestrowanym dzięki technice ultraszybkiej mikroskopii elektronowej (ang. Ultrafast Electron Microscopy – UEM). Metoda ta, łącząca mikroskopię elektronową z obserwacją zjawisk przy użycu femtosekundowych impulsów światła laserowego, zapewnia ogromną dokładność, zarówno pod względem precyzji pomiaru czasu, jak i rozdzielczości obrazu. Używając jej, naukowcy zauważyli nietypowe zachowanie mikroskopijnych igiełek kryształów miedzi połączonej z TCNQ (7,7,8,8-tetracyjanochinonodimetanem) – charakterystyczną cechą tego półprzewodnika jest niemal jednowymiarowa budowa cząsteczkowa. Okazało się, że pod wpływem światła laserowego wspomniane kryształy wydłużają się, a po wyłączeniu oświetlenia, wracają one do poprzednich rozmiarów. Innym efektem tego zjawiska są wywołane laserem pęknięcia kryształów, mierzące od 10 do 100 nm. Po ponownym oświetleniu szczeliny te zamykają się, by znów się pojawić gdy laser przestaje działać. Naukowcy informują, że zachowanie to jest w pełni powtarzalne, a siła efektu zależy od ilości dostarczonej energii. Oba zjawiska mogą zostać wykorzystane w przyszłych układach nanoelektronicznych i nanomechanizmach. Dzięki nim budowniczowie takich urządzeń otrzymają bowiem mikroskopijne przełączniki sterowane światłem. Zewail jest pewien, że technika UEM wkrótce dostarczy kolejnych odkryć w takich dziedzinach, jak biologia, nanotechnologia oraz inżynieria materiałowa.

Naukowcy opracowali nanopapier, z którego można tworzyć trójwymiarowe obiekty. Chemicy z University of Arkansas poinformowali o wyprodukowali nanopapieru z nanorurek zbudowanych z tlenku tytanu. Nanopapier może być podgrzewany do temperatury 700 stopni Celsjusza. Można go zginać w rękach, ciąć nożyczkami i formować twójwymiarowe obiekty. Dotychczas dostępne były jedynie dwuwymiarowe struktury z narorurek. Możliwość wykorzystania trójwymiarowej membrany, która jest odporna na wysokie temperatury to przełom – twierdzą naukowcy. Będzie ona przydatna przy dalszych pracach na polu nanotechnologii. Ponadto z nanopapieru można będzie tworzyć maski i inne części ubioru chroniące ciało, ognioodpornych włókien, kapsułek na leki czy sztucznych mięśni. Może działać jako fotokatalizator czy zostać zastosowanym w urządzeniach wykrywających skażenia biologiczne.