Nanotehnologia?

Vom începe cu cifre. În 1987 au existat 237 de articole stiintifice care contineau prefixul nano în titlu. În 2002 numarul acestora ajungea la aproape 10.000. Între 1999 si 2002 numarul de patente acordate pentru nanotehnologii în SUA s-a dublat. V-am oferit aceste cifre pentru a va face o idee concreta despre viteza cu care evolueaza nanotehnologia. Dar ea reprezinta un scop în sine sau va avea aplicatii practice? Va aparea o adevarata piata a nanotehnologiei?

Visul lui Kurzweill

Raspunsul banal la întrebarea pe care am pus-o în titlu ar putea fi tesut în jurul inevitabilitatii progresului tehnologic. Ray Kurzweill, un om de stiinta american, autor a numeroase inventii spectaculoase, arata în cartea sa „Age of Spiritual Machines” un lucru pe care îl stim, acum, cu totii: cresterea tehnologica este exponentiala, altfel spus viteza de evolutie a tehnologiei creste foarte rapid în timp. „Urmatorii 20 de ani de progres tehnologic vor fi echivalenti cu întreg secolul XX”, aceasta este una dintre principalele concluzii ale cartii lui Kurzweill. Cu siguranta aceasta este o concluzie corecta. Sa ne aducem aminte de legea lui Moore care spune ca la fiecare 18 luni capacitatea microcipurilor se dubleaza. Acum, în chiar aceste clipe, limita tehnologiilor la scara micro a fost atinsa si, în mod obligatoriu, va trebui sa o depasim cumva. Ne trebuie o noua tehnologie la o alta scara, la scara nano a lumii. Daca nu avem alte motive, sa ne gândim la unul strict financiar. În ultimii 35 de ani, tehnologia micro a adus venituri de peste 170 miliarde de dolari si o strapungere tehnologica dincolo de micro are un potential economic urias. Asa sa fie?

Sa vedem banii!

Analistii analizeaza cu atentie perspectivele nanotehnologiilor, urmarind semnalele ce vin din zona. Unul dintre acestea este dat chiar de guvernul american. În documentul intitulat „21st Century Nanotechnology Research and Development Act”, semnat de presedintele Bush în decembrie 2003, se arata ca finantarile guvernamentale în cercetari în nanotehnologie vor creste de la 810 milioane de dolari în 2005 la 1,2 miliarde de dolari în 2008, adica o crestere de 48% în numai 3 ani. Acesta este un semnal cât se poate de clar pentru investitorii în nanotehnologii. Un alt indiciu pozitiv pentru nanotehnologii este cel oferit de sectorul militar, care aloca fonduri din ce în ce mai mari pentru dezvoltarea unor echipamente bazate pe nanotehnologii. De asemenea, asa-numitele „capitaluri de risc” (cele ce se orienteaza catre tehnologii aflate în faza copilariei, dar care au potential mare pentru viitor) ofera indicii importante. Asistam în prezent la o translatare a fondurilor dinspre, deja clasicele, tehnologii ale microcipurilor catre cele care construiesc obiecte din numai câteva zeci de atomi.

La aceasta etapa putem afirma ca banii exista. Cercetarile sunt bine finantate. Dar mai exista si un alt aspect. La capatul drumului se afla consumatorul si acesta va decide daca, si cât, este dispus sa cheltuiasca pentru produse bazate pe nanotehnologii. Ar putea satisface acestea anumite dorinte ale consumatorilor din viitor?

Marile tendinte

De dragul sistematizarii vom aborda numai trei domenii mari în care nanotehnologiile vor avea un cuvânt de spus în anii ce vin.

Vom începe cu energia, pentru ca aceasta este o problema care tinde sa se acutizeze în ultima vreme. Asistam neîncetat la o crestere a consumului, care nu mai poate fi compensata pentru multa vreme de catre resursele pe care le avem la dispozitie. Aceasta este o problema de rezolvarea careia va depinde viitorul nostru. Noua tehnologie ar putea sa ne ofere solutii? Raspunsul este ca „da, ne poate oferi solutii; de fapt, le avem deja”. Iata numai câteva exemple. Am putea limita cresterea cererii de combustibil fosil prin cresterea eficientei masinilor noastre. De pilda, crescând temperatura din camera de ardere a motorului. Dar pentru aceasta avem nevoie de materiale rezistente la temperaturi înalte. Au fost deja realizate materiale ceramice nanostructructurate, bazate pe zirconiu si oxizi de aluminiu care captusesc cilindrii motoarelor diesel, marindu-le randamentul termic. În zona economiei de energie pentru climatizarea locuintelor sperantele sunt si mai mari. Au aparut materiale noi, aflate deocamdata în stadiul de cercetare, asa-numitele aerogeluri nanostructurate, care, prin calitatile lor termice si prin comportament „inteligent” vor oferi locuintelor noastre din viitor posibilitatea de a consuma mai putina energie pentru climatizare. Am oferit doar doua exemple din zona reducerii cerintelor de energie. Dar nanotehnologiile ne deschid si cai noi pentru a o produce, oferindu-ne o alternativa promitatoare la combustibilul fosil.

Cea mai evidenta cale este cea legata de energia solara. Avem deja celule fotovoltaice, care transforma energia solara direct în energie electrica. Dar acestea au un randament extrem de scazut, motiv pentru care utilizarea lor este limitata la câteva aplicatii binecunoscute. Motivul lipsei de eficienta este legat direct de faptul ca folosim, înca, tehnologia micro, care impune folosirea unui singur material în constructia lor. Într-o asemenea configuratie doar o foarte mica parte din energia solara este convertita în energie electrica. Solutia oferita de nanotehnologie consta în realizarea unor celule fotovoltaice compozite, alcatuite dintr-o succesiune de straturi, realizate din materiale diferite, de grosimea a numai câtorva zeci de atomi, care vor exploata o zona foarte larga a spectrului solar.

O alta cale ar fi trecerea de la o civilizatie bazata pe combustibil fosil la una bazata pe hidrogen, zona în care nanotehnologiile vor avea o mare importanta, atât în fabricare asa-numitelor pile de combustie, cât si în obtinerea hidrogenului din apa (despre acest subiect am discutat în numarul 4-5/2003 al revistei noastre, asa ca nu vom insista asupra lui).

La încheierea acestui subcapitol trebuie sa mai semnalam un aspect important. O anumita nanotehnologie nu serveste unei singure aplicatii. Astfel Firma Nanox a investit 4,1 milioane de dolari pentru a realiza materiale nanostructurate bazate pe oxizi care pot fi folosite atât pentru cresterea randamentului motoarelor diesel, cât si pentru cresterea randamentului pilelor de combustie. De asemenea aerogelurile nanostructurate pot fi utilizate atât pentru izolarea termica a locuintelor, cât si pentru cresterea capacitatii de înmagazinare a energiei de catre acumulatoarele NiMH.

Vom continua cu un alt domeniu important în care nanotehnologiile vor avea cuvinte importante de spus. Este cel al calculatoarelor si telecomunicatiilor. De fapt, într-un viitor nu prea îndepartat, vom asista la o completa integrare a calculatorului si a comunicatiilor mobile. Deja a aparut o sintagma noua, care în engleza se exprima prin pervasive computing (în limba româna ar putea fi exprimata prin calcul împrastiat peste tot). Embrionii calculatorului viitorului exista. Laptop-urile si PDA-urile conectate la Internet prin GSM sunt un început promitator, care indica destul de bine directia ce va fi urmata în dezvoltarea calculatoarelor. În viitor stocarea datelor si procesarea lor s-ar putea efectua la mare distanta de utilizator, în calculatoare de foarte mare performanta. Dar aceste dispozitive portabile vor consuma energie electrica, ce nu poate fi furnizata în mod corespunzator de catre sursele din prezent. Sa nu uitam ca acumulatorul unui telefon mobil îsi epuizeaza energia în numai câteva zile, desi în cea mai mare parte a timpului telefonul este trecut automat în pozitia de asteptare. Acumulatorul unui laptop se epuizeaza în numai câteva ore, nefacând fata unei calatorii mai lungi. Aceste deficiente sunt obstacole majore în calea dezvoltarii unui sistem de tip „pervasive computing”. Visul oricarui utilizator ar putea fi reprezentat de un sistem mobil ce functioneaza în permanenta, „always-on”. Din nou solutia poate fi oferita de catre pilele de combustie realizate cu ajutorul nanotehnologiilor (despre ele vom vorbi pe larg într-un numar viitor). Desigur, exista riscul ca utilizatorii sa fie reticenti în achizitionarea unei surse de energie care sa necesite cumpararea periodica a unor cartuse de reîncarcare. Dar si în acest caz solutia exista deja si ea se numeste celula fotovoltaica care, asa cum aratam mai sus, va putea oferi cantitati mari de energie la un cost foarte redus.

Calculatorul mobil al viitorului va avea nevoie nu numai de surse de energie care sa îi asigure functionarea pe timp îndelungat. Sunt necesare si alte îmbunatatiri. În primul va avea nevoie de display-uri în miniatura de mare rezolutie. Cea mai promitatoare solutie este reprezentata de catre LED-urile fabricate din materiale organice. Trebuie spus ca ele în sine, LED-urile, nu pot fi considerate ca nanodispozitive, dar capacitatea lor de a emite lumina într-o gama larga de culori este dependenta de capacitatea noastra de a realiza materiale organice nanostructurate, cu proprietati bine controlate.

O alta zona promitatoare în care nanotehnologiile vor fi implicate este cea a memoriilor nonvolatile, elemente cheie în calculul mobil, deoarece ele vor trebui sa înlocuiasca actualele dispozitive de stocare nonvolatila, cum ar fi hard-disc-urile. Avem deja memoriile flash, dar acestea sunt înca dificil de fabricat (si de aceea sunt înca scumpe) si, oricum, trebuie sa privim dincolo de ele. Iata un semnal semnificativ. AMD, compania care are o cifra de afaceri de 628 milioane de dolari în zona memoriilor flash în primul trimestru al nului 2004, a achizitionat anul trecut firma Coatue, care detine un patent pe baza caruia se pot realiza memorii nanopolimer.

Am putea continua la nesfârsit cu felul în care nanotehnologiile vor fi implicate în calculatorul si calculul viitorului, dar ne oprim aici, pentru ca mai exista un domeniu extrem de promitator în care ele vor deschide directii noi.

Este vorba despre sectorul medical. Cifrele sunt clare. Din PIB, în cazul tarilor dezvoltate, este alocat un procent din ce în ce mai mare pentru cheltuieli în domeniul sanatatii. Astfel în SUA, în 1960 erau alocate 5,4% din PIB pentru sanatate. În 1990 deja se trecuse la 12% iar în 2001 se atinsese nivelul de 14,1%, iar tendinta este continuu crescatoare. Pe de alta parte asistam la o continua îmbatrânire a populatiei, tot în tarile dezvoltate. Ramânând la SUA vom spune ca în 1960 aproximativ o treime din populatie avea mai mult de 45 de ani. Pentru 2010 prognozele ne arata ca 45% din populatia SUA va avea mai mult de 45 de ani. Îmbatrânirea populatiei atrage cu sine cresterea cheltuielilor în sectorul medical. De aceea, în mod firesc, vor creste si cheltuielile în cercetare, din dorinta de a reduce costurile pe pacient. Iar cele mai mari sperante se pun, ati ghicit, în nanotehnologii. Cu ajutorul lor se pot dezvolta întregi noi clase de medicamente si mai mult decât atât se pot realiza nanodispozitive care sa duca medicamentele direct în zona afectata. În aceasta directie se spera ca vor fi gasite destul de rapid mijloace nano prin care sa poata fi distruse celulele atinse de cancer, eliminându-se procedurile dureroase si costisitoare, cum ar fi chimioterapia sau interventiile chirurgicale. În acelasi timp, chiar si metodele de diagnostic vor avea de câstigat de pe urma nanotehnologiilor. În prezent sunt în stadiu destul de avansat dispozitive capabile sa culeaga date direct din interiorul corpului, informatii pe care le poate transmite direct catre un calculator care le interpreteaza si afiseaza pe un monitor. Iar lista aplicatiilor medicale a nanotehnologiilor este mult mai lunga de atât. Probabil ca anii ce vin ne vor aduce surprize pe care acum nici macar nu le putem banui. Si pentru ca vrem sa va oferim si argumentul cifrelor va vom spune ca, din cele 300 de milioane de dolari investite de capitalurile de risc în domeniul nanotehnologiilor, 80 de milioane au fost destinate sectorului medical.

Încheiem aici acest lung subcapitol. Credem ca am putut schita o demonstratie pentru faptul ca nanotehnologia va fi vazuta de consumatorul viitorului apropiat ca pe ceva ce merita cheltuirea unei anumite sume de bani.

O concluzie?

Credem ca am reusit sa facem o trecere în revista, macar partiala, a aplicatiilor nanotehnologiilor. Ati remarcat, cu siguranta, ca gama utilizarilor este extraordinar de larga, ceea ce reprezinta un semnal cât se poate de puternic ce ne indica o tendinta clara: mâine piata nano va deveni ceva banal. Si este nevoie sa ne pregatim înca de astazi pentru ea. Acesta este motivul pentru care revista noastra va acorda o atentie deosebita progreselor majore din acest domeniu. Nu de alta, dar progresul nu trebuie sa ne prinda nepregatiti!