Was ist Nanotechnologie - Beispiele, zukünftige Anwendungen und Risiken

1959 prophezeite der Physiker Richard Feynman eine Zukunft, in der Wissenschaftler durch Manipulation von Atomen und Molekülen Materialien und Strukturen mit höherer Festigkeit, geringerem Gewicht, besserer Kontrolle des Lichtspektrums und größerer chemischer Reaktivität aufbauen könnten.

Alles Physische - Menschen, Pflanzen, Mineralien, Luft - besteht aus Kombinationen von Atomen und Molekülen, die durch Form oder elektronische Ladung miteinander verbunden sind. Die Manipulation von Atomen im Nanobereich würde es dem Menschen theoretisch ermöglichen, alles von Diamanten bis zu Nahrung zu reproduzieren.

Obwohl die Vorteile einer solchen Technologie praktisch zahllos sind, hat sie bei einigen Anlass zu großer Besorgnis gegeben, dass molekulare Manipulation unwissentlich mehr Probleme als Lösungen mit sich bringen kann - bis hin zum menschlichen Aussterben. Organisationen wie "Friends of the Earth of Australia", "Individuals Taving Savage" in Mexiko und der "Organic Consumers Association" in Amerika sind aktiv gegen jede weitere Entwicklung von Nano-Projekten.

Was ist "Maßstab" und warum ist es wichtig?

Nanotechnologie ist die Wissenschaft, die sich mit der Manipulation von Materie auf atomarer, molekularer und supramolekularer Ebene befasst - mit anderen Worten, viel kleiner als das, was das bloße Auge sehen kann. Jeder Nanometer ist ein Milliardstel Meter - ungefähr die Länge, um die ein Fingernagel in einer Sekunde wächst. Um dies zu relativieren, ist ein menschliches Haar ungefähr 80.000 bis 100.000 Nanometer breit, eine rote Blutzelle ist 2.500 Nanometer und ein Strang menschlicher DNA ist 2.5 Nanometer im Durchmesser.

Erst durch die Entwicklung von außergewöhnlichen Präzisionsinstrumenten, wie dem Rastertunnelmikroskop und dem Rasterkraftmikroskop, ist die Nanotechnologie möglich geworden. Sein Versprechen und sein Risiko ergeben sich aus unserem wachsenden Verständnis der Quantenphysik, die sich mit ultrakleinen Objekten beschäftigt. Überraschenderweise widerspricht das Verhalten von Substanzen auf einer Nanoskala oft ihren Eigenschaften in einem größeren Maßstab.

Zum Beispiel können Substanzen in Massenform, die keine elektrische Ladung tragen können - Isolatoren - auf Nanoebene zu Halbleitern werden, ebenso wie Schmelzpunkte und andere physikalische Eigenschaften sich ändern können. Ein Aluminiumkoks, der zu einem Pulver von 20 bis 30 Nanometern zermahlen wird, kann sich in Luft spontan entzünden - eine Eigenschaft, die ihn zu einem Raketentreibstoffkatalysator macht. In ähnlicher Weise werden sowohl ein Diamant als auch der Graphit in einem Bleistift aus Kohlenstoff hergestellt, aber sie haben aufgrund der Art, wie die Kohlenstoffatome verbunden sind, sehr unterschiedliche Eigenschaften.

Nano-Terminologie

Da die Wissenschaft im Bereich "Nano" gewachsen ist, hat auch die Terminologie zugenommen. Hier sind einige grundlegende Definitionen:

• Nanotechnologie: Jede Technologie, einschließlich traditioneller industrieller und chemischer Prozesse, die Strukturen zwischen einhundert und hundert Nanometer mit neuen Eigenschaften umfasst. Nanobeschichtungen werden bereits verwendet, um beispielsweise Kleidung mit schmutzabweisenden Fasern und Hochleistungs-Sonnenschutzlotionen herzustellen.
• Nanofabriken: Im Nanobereich ist jede Herstellungsmethode einfach eine Methode zur Anordnung von Atomen. Auch als "molekulare Assembler" bezeichnet, sind Nanofabriken winzige, geschlossene Systeme, die reaktive Moleküle manövrieren, kombinieren und manipulieren, um komplexe physikalische und biologische Strukturen aufzubauen - von Mineralien über menschliche Organe bis hin zu Knochen. Eine einzelne menschliche Zelle ist das perfekte Beispiel für eine biologische molekulare Herstellungseinheit oder Nanofactory, die digitales genetisches Material (DNA) liest, um den Prozess der Kombination zu führen. John Burch vom Foresight Institute prognostiziert, dass Anwendungen der biologischen Molekulartechnik und -herstellung bis Mitte des 21. Jahrhunderts rasch expandieren und sich weiterentwickeln sollten.
• Nanobots: Dies sind Produkte von Nanofabriken, von denen jedoch nicht erwartet wird, dass sie sich selbst replizieren oder lenken. Nanobots fallen an der Schnittstelle von Nanotechnologie und Robotik und sind an dieser Stelle mehr Science-Fiction als Wissenschaft. Es gibt jedoch faszinierende Möglichkeiten für ihre Verwendung, insbesondere im menschlichen Körper. Einige Futuristen gehen davon aus, dass Nanobots eines Tages in der Lage sein werden, durch den Blutkreislauf zu reisen und spezifische kranke Zellen zu suchen und zu behandeln. Ein Beispiel könnte ein Nanobot sein, der nur Krebsarten eines bestimmten Typs attackiert und zerstört.

Aktuelle und zukünftige Anwendungen der Nanotechnologie

Laut der Society of Toxicology produzieren Fortschritte in der Nanotechnologie bereits eine Vielzahl neuer Materialien. Sie passen auch alte Materialien wie Kohlenstoff an und bieten ihnen damit "ein großes Potenzial, um Verbraucher- und Industrieprodukte zu verbessern, kritische Energiebedürfnisse zu befriedigen, Sicherheitssysteme zu verbessern und den medizinischen Bereich zu verbessern."

Kohlenstoffnanoröhrchen - stellen Sie sich vor, dass ein Blatt mit Kohlenstoffatomen aufgerollt ist - erscheinen jetzt in Verbraucherprodukten wie Tennisschlägern und Golfschlägern. Sie zeigen 200 mal die Stärke und fünfmal die Elastizität von Stahl, die fünffache elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und die halbe Dichte von Aluminium. Außerdem rosten sie nicht, verschlechtern sich durch Strahlung oder expandieren oder kontrahieren bei Temperaturänderungen. In dieser Hinsicht wird die Attraktivität ihrer Anwendung in solchen Produkten wie Automobilen und Flugzeugen ziemlich offensichtlich.

Das Projekt zu aufstrebenden Nanotechnologien an der Virginia Tech listet mehr als 1.790 existierende Verbraucherprodukte auf, die Nano-fähig sind, einschließlich Baumwollblätter, Entfetter, Golfschäfte, Farben und Kosmetika. Einige Wissenschaftler haben sogar vorhergesagt, dass Solarzellen möglicherweise mit einer solchen Haltbarkeit und zu so niedrigen Kosten entwickelt werden können, dass sie in Dächern, auf Bürgersteigen und auf Straßen eingesetzt werden können, um einer umweltfreundlichen, reichlich vorhandenen und kostengünstigen Energieversorgung Platz zu machen.

Konkrete Beispiele für bestehende Produkte, die Nanotechnologie nutzen, sind:

• Das MineralWater-System von Seldon Technologies ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filtergerät, das Krankheitserreger und Verunreinigungen wie Viren, Bakterien, Zysten und Sporen entfernt, um Trinkwasser zu liefern, das den USEPA-Trinkwasserstandard übertrifft.
• Linde Electronics Carbon Nanotube-Tinte ist für Displays, Sensoren und elektronische Geräte wie ein Smartphone mit einem Roll-up-Bildschirm oder einem durchsichtigen GPS-Gerät in der Windschutzscheibe eines Autos eingebettet.
• Sonnenschutzprodukte, die Titandioxid- oder Zinkoxid-Nanopartikel enthalten, reflektieren oder absorbieren krebserzeugendes ultraviolettes Licht. Diese Produkte sind unsichtbar und länger haltbar und haben weniger reizende und allergene Stoffe als herkömmliche Sonnenschutzmittel.
• Viele frei verkäufliche Bandagen enthalten jetzt Nanopartikel aus Silber, die Infektionen bei Schnittwunden und Abschürfungen verhindern und so effektiv eine Antibiotikumsalbe mit der Bandage verbinden.
• Antibakterielle Schwimmbeckenflüssigkeiten. Diese sind wirksamer bei der Bekämpfung von schädlichen Bakterien und verringern die Exposition der Schwimmer gegenüber den aggressiven Chemikalien früherer Produkte.

Wie vom Foresight Institute prognostiziert, würde der tägliche Nutzen einer erhöhten Verfügbarkeit von Nanofabriken Folgendes umfassen:

• Medizinische Nanoroboter, die Krankheit und umgekehrtes Altern kurieren . Robert Freitas, Senior Research Fellow am Institute for Molecular Manufacturing, entwickelt in seiner Nanomedicine Book Series eine Zukunft, in der medizinische Nanoroboter in den menschlichen Körper eingeführt werden, um zelluläre und mikroskopische Operationen durchzuführen, spezifische Verletzungen zu reparieren und den Körper zu patrouillieren . Auf der Website des Institute for Ethics & Emerging Technologies beschrieb Burch ein Szenario, in dem eine aufgenommene Pille molekulare Materialien mit Anleitungen für Nanobots versorgte, um neue Nervenzellen zu bilden, die beschädigte oder sterbende Gehirnzellen ersetzen. Diese neuen Gehirnzellen würden Informationen viel schneller verarbeiten als ein biologisches Gehirn, so wie eine künstliche Gliedmaße stärker sein kann als ein menschlicher Arm oder ein menschliches Bein.
• Reduzierte Herstellungskosten Die Grundkosten werden auf den Wert von Rohstoffen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sowie auf die für den Betrieb von Nanofabriken benötigte Energie sinken. Stellen Sie sich ein Automobil vor, das aus Kohlenstofffasern besteht und in Nanofabriken entsteht - und nicht mit Materialien, die Bergbau, Verarbeitung und Konfiguration erfordern. Theoretisch kann praktisch jedes Material oder Objekt durch eine Kombination von Nanofabriken zusammengebaut werden. Großräumige Ergebnisse treten auf, wenn simultane und synergistische nanoskalige Prozesse kombiniert werden. Eric Drexler, ein amerikanischer Ingenieur, der für die Popularisierung der Nanotechnologie bekannt ist, prognostiziert eine Zukunft von Desktop-Fabriken, die große, nützliche Produkte herstellen, ähnlich dem "Replikator" von "Star Trek". Im Juni 2014 kündigte das Institut für Gesundheitswissenschaften von Nestlé ein neues Projekt an, das schließlich zu einer "Küchenmaschine führen könnte, die maßgeschneiderte Nahrungsergänzungsmittel - oder sogar Lebensmittel" herstellen kann.
• Entwicklung der künstlichen generellen Intelligenz (AGI) . Laut Foresight Institute werden Nanofabriken Maschinensysteme für technische und technische Arbeiten umfassen, die wiederum Computer herstellen, die tausend Mal leistungsstärker und kostengünstiger sind als aktuelle Computer. Wenn Maschinen Wissen von einer Anwendung oder Umgebung zu einer anderen lernen und übertragen, werden schnelle Fortschritte wahrscheinlich. Es stellt sich jedoch die Frage, wie schnell AGI erreicht werden kann. Seit 1990 steht ein Preis von 100.000 US-Dollar jedem zur Verfügung, dessen Maschine unabhängige Juroren dazu verleiten kann, in Freiformkonversationen Menschen zu denken. Der Preis muss noch vergeben werden.
• Beseitigung der industriellen chemischen Verschmutzung . Da jedes Atom in einem organischen Lebensmittelvorrat im Endprodukt verwendet oder in ordnungsgemäß verpackte Abfälle geleitet wird, werden keine umweltschädlichen Atome in die Umwelt freigesetzt. Zum Beispiel erzeugt natürliche Kohle bei der Verbrennung Schadstoffe wie Schwefeldioxid, Stickoxide, luftgetragene physikalische Partikel und Quecksilber. Der Bau eines künstlichen Brennstoffs, der Nebenprodukte eliminiert oder in eine ungefährliche Form umwandelt, wäre gesünder und weniger teuer.

Die Gefahren und Gefahren der Nanotechnologie

Selbst Befürworter der Nanotechnologie, wie Burch und Drexler, erkennen ihr Potenzial, die Menschheit zu schädigen und möglicherweise zu vernichten, wenn die Technologie unkontrolliert oder fehlgeleitet ist. Diese potenziell schädlichen Auswirkungen umfassen Folgendes:

• Ãœberbevölkerung . Die Sterblichkeitsrate für Menschen über 80 Jahre ist seit den 1960er Jahren um 1, 5% pro Jahr gesunken. Robert Freitas, Jr. schlägt vor, dass Fortschritte in der Nanotechnologie alle genetischen Krankheiten eliminieren und das Altern verlangsamen, "die menschliche Gesundheitspanne mindestens verzehnfachen". Wenn die Langlebigkeit die Geburten nicht verringert, würde sich die menschliche Rasse exponentiell ausdehnen, gesellschaftliche Spannungen verschärfen und möglicherweise erschöpfen Ressourcen.
• Zunahme von Kriminalität und Terrorismus . Chemische und biologische Waffen könnten tödlicher werden und leichter zu verbergen oder zu verfolgen sein, besonders wenn sie auf dem Schwarzmarkt verfügbar sind oder in einer Heimfabrik gebaut werden können. Nanofabriken könnten theoretisch eine intelligente Anti-Personen-Waffe von der Größe eines Insekts herstellen, das eine tödliche Botulismus-Dosis tragen kann. Die Anzahl solcher Waffen, die jeden Menschen auf dem Planeten töten können, könnte in einen einzigen Koffer gepackt werden.
• Disparity zwischen Haves und Have-Nots . Die Entwicklungen in der Nanotechnologie dürften zunächst teuer und folglich durch mehrere Patente, Gesetze und wettbewerbsbeschränkende Hindernisse geschützt sein. Dementsprechend dürften sich die Vorteile der niedrigeren Kosten auf die Technologieeigner beschränken. Armut und Einkommensungleichheit könnten übertrieben werden, was zu sozialen Unruhen führt.
• Konflikte über religiöse Ãœberzeugungen und Lebensstile . Auf der ganzen Welt werden Produkte aufgrund religiöser oder moralischer Prinzipien, die nicht notwendigerweise von der Mehrheit geteilt werden, verboten oder eingeschränkt. Beispiele hierfür sind Waffen in Großbritannien, Alkohol in muslimischen Gesellschaften und Freizeitdrogen in verschiedenen Ländern. Die Fähigkeit, verbotene Produkte in persönlichen Nanofabriken herzustellen, könnte in diesen Gesellschaften zu Störungen führen.
• Aussehen von "Grey Goo . " Manche Wissenschaftler sind besorgt, dass sich selbst replizierende Nanofabriken Amok laufen und die Biosphäre in einem rasenden Versuch fressen, sich unbegrenzt Kopien von sich selbst zu machen. Genauso wie unsoziostatisches Verhalten für einen bestimmten Prozentsatz der Bevölkerung unwiderstehlich ist - wie es die Anzahl der existierenden Computerviren zeigt -, werden unverantwortliche Personen und Gruppen wahrscheinlich selbst replizierende Nanofabriken machen, was die Wahrscheinlichkeit von Katastrophen erhöht.

Letztes Wort

Steve Jurvetson, Managing Director des Venture-Capital-Unternehmens Draper Fisher Jurvetson, behauptet, dass die Zukunft der Nanotechnologie keine Frage des "Wenn" ist, sondern des "Wann". Josh Wolfe, Mitbegründer von Lux Capital und Redakteur des Forbes / Wolfe Nanotech Report stimmt dem zu und sagt, dass alles - Kleidung, Nahrungsmittel, Autos, Wohnungen, Medikamente, Kommunikationsgeräte, die Luft, die wir atmen und das Wasser, das wir trinken - "tiefgreifenden und grundlegenden Veränderungen unterworfen sein wird. Und damit auch die sozioökonomische Struktur der Welt. "

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