Odozgo prema dolje (top-down approach) sinteza je nanostrukturiranog materijala ili nanoskopske čestice, nanokristala iz makroskopskog komada nestrukturiranog materijala. Uobičajene tehnike kojima se koriste u ovu svrhu su litografija, nagrizanje materijala (etching), mehaničko drobljenje materijala, inženjering uz pomoć mikroskopa atomske sile (koji se može koristiti tako da “grebe” površinu proizvodeći nanoskopske kanale i druge strukture)

Proročka predviđanja Nomo Taniguchija 1974. godine kako će proizvodni procesi do 2000., uz pomoć “normalne” strojne obrade postići preciznost od 1 mikrometra bila su točna. Nema nikakvog razloga da se uskoro ne ostvare njegovi navodi o “preciznoj” obradi koja bi trebala omogućiti točnost od 10 nm ili onoj “ultrapreciznoj” u savršenih 1 nm. Ovakav način “nano tehniciranja” danas se popularno naziva odozgo prema dolje (top down) pristup i pretpostavlja super precizne alate, koji mogu obraditi površinu predmeta do istinske perfekcije, a služe za; fino brušenje silicijevih oplata integriranih krugova, oblikovanje stakleno-keramičkih diskova koji služe kao podnožje računalnim tvrdim diskovima ili za nešto drugo, poput obrade vratila, glava i inih dijelova automobilskih motora. U takvu “top down” metodu spada i litografija koja, kada je riječ o računalima predstavlja poriv za smanjivanjem individualnih tranzistora i njihovim naguravanjem na što manji prostor. Naime, što je tranzistor manji to je brži i treba mu manje energije, što su tranzistori bliže jedan drugome to je put električnom signalu kraći. Drugim riječima, ako smo čip smanjili deset puta, njegova će snaga biti tisuću puta veća.
Mooreov zakon, kojeg je 1964. postulirao Gordon Moore, predvidio je da će se broj tranzistora koji se mogu upakirati na jedan čip udvostručiti svake dvije godine. Taj zakon vrijedi i danas, no za takve tehnološke skokove u načelu je potrebno dvije do tri godine. Iskazano brojevima, u tri desetljeća broj tranzistora po procesoru vinuo se s kakvih dvije tisuće (Intel 4004) do njih stotinu milijuna (Intel Prescott). Izgradnja čipova “top down” tehnologijom pri svakom novom evolucijskom koraku postaje sve skuplja, danas se koriste sve egzotičniji načini obrade materijala poput pulsirajućih ultraljubičastih lasera, x-zraka i ostalih donedavno fantastičnih oruđa. Što se više približavamo istinskoj manipulaciji nano česticama to je evidentnije da će za ovladavanje nečim tako sićušnim biti potreban radikalno drugačiji pristup.

Nano litografija je, dakle, proces proizvodnje uzoraka na površinama nanometarskom točnošću. Osnovna ideja litografije vrlo je stara. Međutim, kad se atomi ili molekule žele točno pozicionirati na površinama pojavljuju se mnogi problemi od kojih su neki vezani uz kvantnu prirodu atoma.

Trenutno postoje mnoge, međusobno različite tehnologije koje se nazivaju litografijama. Na primjer, vrh mikroskopa atomske sile može se koristiti kao “pero”. Vrh se obloži tankim filmom npr. tiolnih molekula (ove molekule alkohola, koji sadrže sumpor, čine samo-složene monoslojeve). Pri pokretanju vrha molekule prelaze s vrha prema površini stvarajući nanometarske uzorke na površini. Ova vrsta litografije naziva se dip-pen litografija (prema dip – umočiti i pen – pero).

Druga vrsta litografija bazira se na utiskujućim (emboss) tehnikama. Ideja ovih litografija je u stvaranju otiska na površinama koristeći prije pripremljene dijelove nanostrukturiranog materijala (žig) koji se pritisne uz površinu ostavljajući karakterističan uzorak. Ove tehnike koriste se ponekad u kombinaciji s izlaganjem materijala UV svjetlu koje stabilizira otisak. U tom slučaju tanki polimerni film koristi se kao materijal koji se strukturira.

Litografija elektronskim snopom koristi skenirajući elektronski mikroskop za “pisanje” po površinama. Zbog ozračenja elektronima materijal lokalno mijenja svojstva što se može iskoristiti da se ozračeni materijal selektivno ‘jetka’ (etch). Litografija X-zrakama funkcionira na sličnom principu, a X-zrake se koriste umjesto elektrona. Vrlo interesantan tip litografije je laserom fokusirana litografija ili interferentna litografija.

U ovoj se tehnici uz pomoć lasera iznad površine kreira stajaći svjetlosni val koji preuzima ulogu fotolitografske maske. Atomi se isparavaju iz nekog izvora iznad površine i na svom putu prema površini međudjeluju sa svjetlosnim stajaćim valom koji ih navodi na određena mjesta. Prema tome, svjetlosni val funkcionira poput leće za atome vodeći ih na određene položaje i time stvarajući uzorke na površini.

Ova se tehnika može kombinirati i s mehaničkom maskom ispred polja svjetlosne sile koja dodatno usmjerava atome. Za najbolje rezultate, atomski snop koji se “naparava” na površinu treba bi biti monokromatski (tj. svi atomi morali bi imati istu brzinu, energiju).
Ovo predstavlja bitnu tehnološku poteškoću i povećava troškove ove vrste litografije. Uporaba nanolitografije vjerojatno će dominirati u proizvodnji elektroničkih komponenti (čipova) strukturiranih na nanometarskoj skali. Ovo bi mogao biti način da se valjanost Mooreovog zakona produži i u budućnost.

Odozdo prema gore
Ideja o manipuliranju materijom, atom po atom, ili njena izgradnja, molekulu po molekulu, Feynmanova je umotvorina koju je tako vješto promovirao K. Drexler. Takav pristup nano gradnji podrazumijeva stvaranje objekta odozdo prema gore (bottom-up nanotech (BUN)), a neka od otkrića i dostignuća koja su postignuta na ovome polju kao stvorena su za izazivanje nevjerice. Mikroskopi sa skenirajućom sondom (scanning tunnelling microscope (STM)) i mikroskop atomskih sila (atomic force microscope (AFM)), epohalni su samim time što omogućuju detaljan pogled na atom.
No ono što uistinu fascinira je mogućnost tih sondi da pokupe i preslože atome na površini objekta. Uz pomoć AFM-a djelatnici IBM-ova istraživačkog odjela su 1990. godine na malenoj pločici od nikla uz pomoć 35 atoma ksenona ispisali ime svoje kompanije. Sonde koje su sastavni dio ovih mikroskopa toliko su sofisticirane da mogu probiti individualnu molekulu i izmjeriti njena mehanička svojstva. Uz ovakve alate koji su nam dostupni već puna dva desetljeća u sljedećih desetak godina možemo očekivati funkcionalne nano strojeve ili nešto nalik njima. Čovjek bi pomislio kako će takvi strojevi još neko vrijeme biti područje znanstvene fantastike, no valja znati da se nekolicina sretnih kemičara upravo ovih dana igra s malenim funkcionalnim vlakićima koji su u stanju (manje-više) kontrolirano juriti sićušnim cjevovodima nanometarskog obujma.

Mnogo se tehnologija za nano sastavljanje istražuje. Na primjer, nanoskopske čestice mogu se stvoriti u plinskoj fazi (isparavanjem materijala i okupljanjem atoma i molekula u plinskoj fazi u nakupine), a onda “sastaviti” procesom kondenzacije/nukleacije, koristeći mogući drugi materijal (surfaktant) zbog sprječavanja spajanja (aglomeracije) nanometarskih nakupina. Pažljivo nadgledanje termodinamičkih parametara tijekom ovakvog procesa može rezultirati nanostrukturiranim materijalima različitih svojstava.
Drexler predlaže nanoskopsku česticu ili drugog nanorobota slažući molekulu po molekulu. Ovo je naravno samo spekulativna fikcija s obzirom na trenutačno stanje znanosti i tehnologije. Također je upitno dozvoljava li znanost koju poznajemo takve nanostrojeve (Maxwellove demone). Ipak, djelovanje mikroskopa atomske sile u slaganju umjetnih struktura, kao što su atomski korali, možemo smatrati primitivnim primjerom ovakve fikcije.

Millipede
Projekt “Stonoga” (IBM) omogućio je spremanje podataka na poluorganski medij uz gustoću daleko veću od one koja se do sada smatrala mogućom. Millipede je uz to prvi pravi nano uređaj namijenjen pohranjivanju podataka. On je u stanju je na jedan kubičan inč spremiti dvadeset puta više podataka od svoje konvencionalne konkurencije. Kao medij za pohranjivanje pri tom se koristi tanak organski sloj postavljen na silicijevu pločicu. O kakvom je remek dijelu riječ najbolje govori činjenica da jedan udarac “igle” pomoću koje se vrši magnetski zapis ima točnost od oko 10 nm. Riječ je dakle o pohrani podatka na površinu koja je pedeset tisuća puta manja od točke na kraju ove rečenice. Prvi funkcionalni prototip u stanju je pohraniti broj zapisa ekvivalentan današnjim vrhunskim tvrdim diskovima na površini koja je usporediva s veličinom najmanje dostupne flash memorije. Da bi probio polimer koji služi zapisivanju podataka vrh “igle” se mora ugrijati do kakvih četiristo stupnjeva Celzijevih, dok je prilikom njihovog očitavanja temperatura stotinjak stupnjeva niža. “Millipede” može uspješno pohraniti pola gigabajta podataka na površini od jednog kubičnog milimetara, ili još impozantnije, riječ je o jednom trilijunu bitova po kubičnom milimetru. Ovo je samo jedan od paralelnih nano projekata koje vode IBM-ovi istraživački timovi, uz navedeno oni svoje vrijeme krate sastavljajući nano kristale, zavirujući unutar fotona ili sklapajući kvantna računala.

Sablasna komunikacija na daljinu
Kvantna mehanika i kvantna fizika zanimljive su u jednakoj mjeri kao i oksimoron koji navodi da postoji red unutar kaosa. Ovo je područje zadavalo glavobolje čak i slavnom Albertu Einsteinu, kojega je posebno iritirao “običaj” kvantnih čestica da budu međusobno zapetljane (quantum entanglement (QE)). QE je naime “apsurdna pretpostavka” o tome kako su sudbine dviju ili više čestica međusobno povezane, pa stoga promjena unutar jedne, odmah rezultira promjenom unutar druge čestice. U teoriji ovo se događa čak i kada se one nalaze na dvije suprotne strane svemira. “Iritantno” je pak to, što svaku promjenu čestice međusobno dojavljuju brzinom koja nadmašuje onu svjetlosnu. Einstein je to zvao: “sablasnom akcijom na daljinu”. O važnosti te koncepcije što počiva duboko, unutar granica nanotehnologije govori sljedeći citat: ” sve više uviđamo kako bi kvantna računala jednog dana mogla rješavati probleme koji su tako kompleksni da ih niti najsnažnija superračunala ne bi mogla odgonetnuti da rade milijun godina”. Tu je rečenicu izrekao Nabil Amer, glavni menadžer i strateg IBM-ovih istraživanja na polju fizike pred sam Božić 2001. godine. Današnja su računala uvjetovana brzinom elektrona, u budućnosti kada uspijemo zauzdati fotone ta će se granica pomaknuti k svjetlosti. Zamislite sada brzinu računala koje funkcionira pomoću “sablasne akcije na daljinu”, te iako još nemamo niti kovanicu za navedeno, stvar je već zaživjela u laboratorijima. Prvo (vrlo jednostavno) kvantno računalo dizajnirano je 1998., na kalifornijskom Sveučilištu Berkeley.

Genetski modificirana računala
Da bi nam približili svoju ideju nanotehnologije, Feynman i Drexler su često ukazivali na savršen uzor kakav nude biološki sistemi. Organske stanice također su mjerljive nano ljestvicom, a ipak su frenetično aktivne i pokretljive. Neke od njih usprkos svojoj veličini obavljaju čudesne zadaće i zapravo se same nude kao alternativni put ka izgradnji nano strojeva ili stvaranju biološkog kontrapunkta kvantnome računalu. Leonard Adlman, koji svojata očinstvo nad ovom idejom i njenom funkcionalnom upotrebom još je 1994. uspio riješiti jednostavan matematički problem služeći se pri tome DNK (deoksiribonukleinske kiseline) molekulama. Jedan od glavnih problema kada je riječ o ovoj fantaziji bilo je pogonsko gorivo, a uklonjen je 2001. godine, kada su Izraelci objavili otkriće enzima koji mogu hraniti DNK potrebnom energijom. Funkcionalni prototip koji su napravili ti znanstvenici uvršten je u Guinnessovu knjigu rekorda kao “najmanji biološki računalni uređaj”. Spomenuta bio-računala gledana golim okom neodoljivo podsjećaju na epruvetu ispunjenu bezbojnom tekućinom, nema tu nikakvih mehaničkih dijelova, no postoji prilično pouzdana procjena kako se unutar jedne kapi vode može natiskati jedan trilijun bio-molekularnih uređaja. Rezultati proračuna koje izvršavaju takvi strojevi još uvijek zahtijevaju prilično egzotične načine verifikacije, tako da ćemo za njihovo prikazivanje na nečem nalik zaslonu monitora morati pričekati još koje desetljeće.

Obećana zemlja
Uz ovakvu impozantnu sadašnjost prilično je nezahvalno pisati o budućnosti. Koliko dugo će se održati Mooreov zakon? Koliko će vremena biti potrebno da izradimo funkcionalne nano strojeve sposobne da poprave greške unutar stroja nad strojevima, kakav je ljudsko tijelo? Hoće li nam kvantna računala otkriti tajnu svemira koja se razlikuje od one ispisane u Adamsovom vodiču kroz galaksiju i zašto kasni isporuka replikatora nalik onima u Zvjezdanim stazama? Ako je suditi po ovom kratkom uvidu u nano svijet na neke od odgovora nećemo dugo čekati.

Primjena u medicini
Američki znanstvenici sa Sveučilišta u Stanfordu uz pomoć nanotehnologije razvili su novi tretman protiv raka koji ne oštećuje zdravo tkivo. Tretman se sastoji od umetanja sintetičkih nano cjevčica u stanice raka i njihovog zagrijavanja uz pomoć lasera. Te nanocjevčice imaju polovinu promjera molekule DNK te ih u prosječnu stanicu može stati nekoliko tisuća.

Nakon što se cjevčice proizvedene od ugljika izlože laserskom svjetlu bliskom infracrvenom dijelu spektra u roku od 2 minute, dolazi do njihova zagrijavanja na 70 °C i smrti stanica u kojima se nalaze. Znanstvenici dodaju da je pričvršćivanjem antitijela za nanocjevčice moguće precizno naciljati točno određeni tip stanica raka. Standardna kemoterapija uzrokuje smrt i stanica tumora i zdravih stanica.

Nano čestice u liječenju raka pluća
Kanadski znanstvenici sa Sveučilišta Alberta razvili su nanočestice koje su u laboratorijskim uvjetima uspješno uništavale stanice raka pluća. Iako tek predstoje istraživanja na životinjama, čestice bi se u ljudski organizam mogle uvesti uz pomoć inhalatora sličnog onom kakav koriste astmatičari.

Za rak pluća je karakterističan nekontrolirani rast abnormalnih stanica u jednom ili oba plućna krila. Inhaliranje nano čestica moglo bi funkcionirati bolje od tradicionalnih načina liječenja zbog toga što te čestice napadaju samo stanice raka i ne utječu na zdravo tkivo. Slično lijekovima koje koriste astmatičari novi lijek je u obliku praha, no za razliku od njih, on se razlaže u nanočestice kad dođe do kontakta. Znanstvenici očekuju da bi se ovaj način primjene lijekova mogao primijeniti i u liječenju drugih bolesti.

Primjena u autoindustriji
Nanotehnologija sprječava ogrebotine novom tehnologijom nanoboja, koje sadrže anorganske silikonske čestice povezane organskim polimerom. Znatno se povećava površinska tvrdoća boje i omogućuje veće individualiziranje automobila. Za razliku od obične boje, koja se sastoji od organskih molekula s dugačkim lancima ugljika, nanoboja sadrži anorganske čestice povezane organskim polimerom.

Te je anorganske čestice nanotehnologijom moguće tako gusto povezati da površina laka postaje vrlo tvrda i otporna na ogrebotine. Jasno, to se ne odnosni na situacije kad netko namjerno želi zagrepsti boju, no i tada je brazdanje boje vrlo otežano. Nanoboje su i višestruko otpornije na koroziju od klasičnih boja.

One na površini formiraju mrežu ćelija čija pigmentacija ovisi o naponu koji vlada u sustavu te se lako može mijenjati nijansa boje. Nova će boja biti znatno otpornija na prljanje za što postoji logično objašnjenje – površina klasičnog laka je, kako god izgledala glatko, vrlo hrapava. Na te neravnine hvata se nečistoća, a to je kod nanotehnologije nekoliko puta manje.

Primjena u elektronici

Najmanja je širina žica u elektroničkim uređajima iz masovne proizvodnje otprilike 50 nm, odnosno oko 500 atoma u promjeru. Najtanja moguća žica bila bi široka samo jedan atom. Takve je žice danas moguće proizvesti, iako ne za neki upotrebljivi elektronski uređaj, no spoznaje o njihovim svojstvima korisne su za njihovo planiranje.

Paul Snijders i Sven Rogge sa Kavli Institute of Nanoscience pri nizozemskom Tehničkom sveučilištu Delft i Hanno Weitering sa Sveučilišta u Tennesseeju uspjeli su izraditi najmanju zlatnu ogrlicu na svijetu isparavajući dašak zlatnih atoma na silikonsku podlogu iz koje su prethodno uklonjene nečistoće pečenjem na 1200 Kelvina. Kristalna je struktura izrezana tako da čini stepenaste nabore. Prepušteni sami sebi atomi su se sami posložili u žice po 150 atoma poravnate naborima duljine.

Primjena u kozmetičkoj industriji
Kozmetička industrija posljednjih godina također proizvodi nanočestice cinkova oksida za poboljšanje trajnosti ruža za usne, titanova oksida za filtriranje ultraljubičastih zraka, ili cirkonijeva oksida za lak za nokte.

Prema budućnost
Nanoindustrija nije industrija u nastanku, nego lepeza sredstava kojom se materija obrađuje na razini od jednog do sto nanometara. Umjesto novog fenomena poput interneta, nano nudi nove mogućnosti za tisuće materijala koji već postoje – ili koji mogu postati – adaptibilni (“inteligentni”) i hibridni (polusilicijska, poluorganska elektronika). Nanoperspektiva trebala bi uvesti promjene u načine inovacije, dovesti do restrukturiranja brojnih industrijskih sektora, kao što je već bio slučaj s informatikom, elektronikom i biotehnologijama. Prvi planovi odnose se na biomaterijale, katalizatore, dijagnostiku i elektroniku. Različite discipline trebale bi se fuzionirati, da bi bolje djelovale u međuprostoru između žive i nežive materije, na križanju kemije, elektronike, genetike, pa čak i znanosti o mozgu.

Ulaganja su već započela. Američka National Nanotechnology Initiative procijenila je da je u 2005. u svijetu uloženo 9 milijardi dolara u nanotehnologiju (u znanosti i u industriji), s gotovo ravnomjernom razdiobom između zemalja Azije, Europe i Sjeverne Amerike. Između 1998. i 2003. godine javna ulaganja u Europi su povećana šest puta, a u Americi i Japanu osam puta. Svjetsko tržište tih tehnologija, koje su 2001. godine već predstavljale 40 milijardi dolara, 2010. godine trebalo bi dosegnuti 1.000 milijardi dolara godišnje, prema američkoj National Science Foundation (NSF).

A opasnosti?
Nanokompozicija je dakle krenula. No za sada ne znamo ništa o utjecaju tih tehnologija na zdravlje. Što se događa kad se udišu nanocijevi ugljika koje su raspršene u zraku, ili kad se čestice titanova oksida primjenjuju na kožu kao solarni ekran? Nanomaterijali ne predstavljaju homogenu skupinu supstanci. Njihove čestice mogu se razlikovati po veličini, obliku, površini, kemijskom sastavu, biološkoj otpornosti. No uvijek su vrlo reaktivne. U članku naslovljenom “Nanotehnologija: pogledajmo u što uranjamo” koji donosi pregled toksikoloških radova ostvarenih na nanopredmetima, američki toksikolog Ernie Hood otkriva zabrinjavajuće rezultate, naročito upalne reakcije u plućnom tkivu izloženom nanočesticama ugljika. Već su se pojavile dvije bojazni: kao prvo, nanoprah – zbog svoje sićušnosti – može se širiti u sve tjelesne prostore, plućne alveole, krv, pa čak i preko hemato-encefalitičke barijere koja štiti mozak. Toksikolozi ističu problem, pokazavši da nanočestice zlata mogu prijeći barijeru placente i tako prenijeti sastojke s majke na fetus. Osim toga, oblik nanoproizvoda može biti izvor toksičkih učinaka. Tako bi se, poput vlakna azbesta, nanocijevi ugljika mogle zabiti u plućne alveole i izazvati rak. Ono što komplicira karakterizaciju mogućih zdravstvenih problema je to što još ne poznajemo dobro nanoproizvode koji se proizvode.

Britanska fizičarka Ann Dowling koja je pripremila izvješće posvećeno nanotehnologijama na Royal Society i Royal Academy of Engineering, objavljeno u srpnju 2004. godine, zahtijeva od industrije da smanji izloženost nanotvarima, da razvije vlastite toksikološke testove i da se provedu iscrpna istraživanja o biološkim posljedicama. Za sada, dvadesetak kompanija u svijetu već razvija pilotski program proizvodnje nanocijevi ugljika, poduzimajući pritom različite mjere opreza (rad u kombinezonu ili s maskom u atmosferi s nadpritiskom).

Britanske akademije ozbiljno su pristupile problemu i izdale 21 preporuku. Autori izvješća zahtijevaju da se izbjegava širenje nanočestica i nanocijevi, ali su se isto tako izjasnili za uvođenje baze podataka o toksičnim posljedicama, bioakumulaciji i specifičnoj izloženosti stanovništva u različitom okolišu. Preporučuju da znanstvenici i osoblje u laboratorijima budu upućeni u etičke i socijalne posljedice i da građani budu informirani. Na planu legislative, smatraju da treba osigurati da upravljanje nanotehnologijama bude u potpunosti pokriveno postojećim i budućim zakonima. To će biti vrlo osjetljivo, jer je vrlo teško, već u kemijskom sektoru, popisati toksičke učinke. Vidimo, naime, u kojoj su mjeri namjere europske regulative Reach (Registration, Evaluation, Autorisation and Restriction of Chemicals), kojom se predviđalo da se procijeni utjecaj na zdravlje i okoliš 30.000 kemijskih supstanci (odnosno 30 posto svih industrijskih proizvoda), ugrožene pod utjecajem različitih lobija.

Ankica ČIŽMEK