Obor: Bezpečnostní a strategická studia

7.5Další zdroje

Kápl, Š. 2013. Rozhovor o možnostech ovlivňování mozkových procesů. Rozhovor vedl: Roman Šulc [osobní konverzace] Brno, 18. 10. 2013.

8PŘÍLOHY:

Příloha 1: Základy nanotechnologií

Historie a vývoj

Navzdory současnému ohlasu, a intenzitě, kterou se vyznačuje nárůst patentů a vědeckých prací a kumulace finančních prostředků²⁹, které se k oboru nanotechnologie vztahují, se dá určitá forma užití nanomateriálů vysledovat až do období starověku³⁰. Ačkoliv ve výše zmíněných případech se nedá o využití nano dimenzí daných aditiv hovořit ve smyslu plnění vědomého záměru je třeba brát na zřetel, že současná široká a značně nesourodá kategorie aplikací, které definici nanotechnologie odpovídají, v sobě zahrnuje i procesy kterými se zabývala metalurgie, koloidní chemie a mechanika materiálů již přes pět dekád a příslušné složky zmíněných oborů jsou do této kategorie zpětně včleňovány (Jones 2007: 7).

Třebaže termín „nanotechnologie“ byl poprvé užit teprve v roce 1974, pomyslný základ dnešnímu pojetí nanotechnologie, položil v roce 1959 svou přednáškou na výročním shromáždění Americké fyzikální společnosti držitel Nobelovy ceny Richard Feynmann, který vyjádřil své přesvědčení, že manipulaci s hmotou na úrovni jednotlivých atomů z fyzikálního hlediska nic neodporuje³¹ a zároveň podobné praxi přisoudil nadějnou budoucnost³². Další vizionář, který dané pole srovnatelnou měrou ovlivnil, je Eric Drexler, který se ve své publikaci Engines of creation, vydané v roce 1986 předeslal i bezpečnostní rozměry nanotechnologií. Z jeho pojetí rizikových aspektů oboru se ponejvíce zažil koncept Grey goo („šedý maglajz“), což je kumulace obrovského množství tzv. assemblerů - miniaturních automatických nanorobotů, schopných na úrovni jednotlivých atomů vytvářet či naopak dekonstruovat hmotu (včetně sebe samých), což jim dává potenciální možnost úměrně k rychlosti svého šíření rozložit veškerou lidskou populaci na naší planetě na základní stavební jednotky se samozřejmým usmrcením během tohoto procesu³³.

Praktické výstupy, částečně ze základních tezí vycházející, se ovšem setkávaly a do jisté míry stále setkávají s řadou překážek v jejich systematické realizaci. Bezesporu nejzásadnější z nich je, že se nanosféra nachází mimo rozlišovací schopnost klasických optických mikroskopů. Tyto nejsou schopny zaregistrovat objekty, které některým rozměrem nepřesahují 400 nm, což je nejmenší vlnová délka amplitudy elektromagnetického záření v jeho viditelné formě (Jones 2009: 19). Největší přelom v tomto ohledu přinesla 80. léta minulého století, kdy byl vyvinut Scanovací tunelovací mikroskop (STM), umožňující zobrazení jednotlivých atomů³⁴ na nevizuálním principu (kopírování povrchu mechanickým hrotem), který byl následován ostatními pokročilými formami zobrazovací techniky, které se postupně vypořádávali s kompromisy stran složení a požadavků na formu pozorovaného vzorku. Nicméně faktem zůstává, že jsou různým řešení pozorování vlastní charakteristické výhody a nevýhody (Hošek 2011: 43-54, Cao 2004: 7, Wilson 2002: 33).

Druhou podstatnou formou omezení nanotechnologií, je obtížnost produkce některých nanoobjektů, jenž vyžaduje často komplikované a enormně nákladné techniky k výrobě úsilí neúměrně malého počtu vyžadovaných částic. V neposlední řadě není možné pomíjet ani vysoké vstupní náklady na výzkum a vývoj v nanotechnické oblasti, tvořené nutností pokročilého vybavení pro produkci a vyhodnocování dosažených výsledků.

Mezi další milníky, které vývoj v oblasti nanotechnologií zaznamenal, patří bezesporu objev nových alotropů uhlíku³⁵, pojmenovaných fullereny (rok 1985) a především jejich potenciálně nejvýznamnější formy/příbuzné aplikace – uhlíkových nanotrubic v roce 1991. Rozsah možného využití tohoto materiálu je natolik enormní, že jsou uhlíkové nanotrubice a pojem nanotechnologie nezřídka vnímány synonymicky. Obdobná míra význačnosti je spojena i s dalším uhlíkovým produktem, nazývaným Grafen, jenž byl objeven v roce 2001. Přes zmíněné výseky ve vývoji poznání, provázené kontinuálním zvyšováním informací o této tématice se nanotechnologie postupně etablovala do dnešní podoby, kdy zvyšování produkčních schopností a oborový vývoj staví nanotechnologie do role nepominutelné veličiny v oblastech vědy, techniky a ekonomického rozvoje.

V neposlední řadě je třeba zdůraznit, že aplikační potenciál nanotechnologií je prozatím spíše v začátcích (tj. že u mnoha podoblastí převažuje vývoj technologií a patentování nad faktickým využitím výsledků) a s touto komplexní oblasti velké množství jevů, které nejsou principielně objasněny. K tomu je vztažen charakteristický jev tohoto pole v podobě soustavných objevů nových materiálů, efektivnějších forem výroby i dosud utajených vlastností, kterými disponují produkty nanotechnologií již známé.

Problematika vymezení nanotechologií

Při aplikaci v práci prezentované skupiny základních definic, se v některých případech pozornější čtenář nemůže vyhnout pochybnostem, o univerzalitě jejich platnosti. Úskalí uvedeného vymezení spočívá především v posuzování struktur, přesahujících dané rozměry, avšak s povrchovou morfologií, která je v rámci odpovídající velikosti kvalifikovatelná (přičemž v podstatě každé těleso má na povrchu struktury, které se v rozměrech nanometrů pohybují). Analogický problém vzniká při posuzování vnitřních struktur materiálu, jenž logicky v souladu s velikostí atomů a molekul z nanorozměrů vychází rovněž. Obdobným nedostatkem je i příchylnost k arbitrárním rozměrům od 1 do 100 nanometrů, jelikož vlastnosti hmoty, které se nepohybují pouze po extrapolační přímce s přímou úměrou k její velikosti, se výskytově na toto rozpětí neomezují, a naopak situacích, jako v současné době běžnému používání nanorozměrů pod 100 nm v elektronice, kde překročení hranice 100 nm kromě zmenšení při zachování totožné funkčnosti mnohdy žádnou revoluční změnu ve vlastnostech nepodmiňuje.

S těmito „šedými zónami“ se jednotlivé subjekty a badatelé vypořádávají různě. Například Elmary (2009:7) přistupuje k nanočásticím jako k jako tělesům, jejichž rozměry mohou 100 nm výrazně přesahovat, za předpokladu, že u nich velikost odpovídajícím způsobem determinuje fyzické vlastnosti. Toto pojetí, pravděpodobně použitelné vůči dílčím sub-oblastem nanotechnologií, je však v pohledu na komplexní množinu nanotechnologií adekvátně neaplikovatelné, neboť není vždy možné rozlišit, zda je daná kvalita skutečně podmíněna rozměrem, popřípadě do jaké míry se na ní velikost podílí (European Commission 2013).

Zmíněná formulace a jí podobné tedy implikují dostatečnou míru informací o gamutu vlastností materiálů v nanorozměrech, která v tomto oboru bohužel u řady klíčových subjektů absentuje. Určené rozmezí nanorozměru se tak jeví nejsnadnějším způsobem, jak danou skupinu koncipovat, jelikož při důrazu na kvalitativní aspekt by i s dostatkem znalostí o jejich komplexním chování nebylo z hlediska myriád různých prvků funkčnosti v rámci závislostních křivek na velikosti a druhu v obrovské množině použitelných materiálů, určit konkrétní „hranici nanotechnologie“ a přiřadit tak tomuto pojmu vůbec nějaký uchopitelný obsah.

S ohledem k morfologii povrchů nebo vnitřní struktuře, neoddělitelně spjatými s faktorem nanorozměru, je otázka jasně definována například normou ISO TS 80004-4, která stanovuje, že materiál by neměl být považován za nanostrukturovaný, pouze na základě jeho přirozeného vnitřního složení, pokud toto není dostatečně heterogenní například výskytem prázdných míst, nebo vnitřních zrn rozdílné velikosti. Povrchová struktura pak dle této definice musí být ke klasifikaci záměrně upravena (European Commission 2012).

Specifika nano rozměrů

Již z míry pozornosti, která se nanotechnologiím dostává je možno usuzovat, že tento druh manipulace s hmotou je oproti konstrukčním řešením s materiály v jejich klasické podobě nositelem určité přidané hodnoty. Materiály rozměrově v řádu nanometrů skutečně disponují řadou unikátních a fyzikálních a chemických vlastností, které je oproti strukturám konvenčních velikostí zvýhodňují. Dosti podstatný je fakt, že se nejedná o nespojité změny kdy je jev v nanorozměrech přítomný v určité pevně dané podobě a při přesažení určité rozměrové hranice začne zcela absentovat, ale jedná se zpravidla o charakteristiky do vysoké míry designovatelné v závislosti na tvaru a rozměru a materiálu použitých nanočástic.

Jak již bylo předesláno, nanotechnologie jako kategorie zaštiťuje značně rozsáhlou a nesourodou skupinu produktů a řešení, které fakticky spojuje pouze jediná charakteristika a tou je úloha nanorozměru, jako interakční platformy s okolním prostředím nebo  velikostního ohraničení tvůrčího postupu, který umožňuje v těchto rozměrech s hmotou pracovat. Třebaže se u nanotechnologií uplatňuje mnoho současně působících vlivů, charakteristiky nanoproduktů jsou asociovatelné především se dvěma základními principy.

Prvním určujícím vlivem vůči množině vlastností nanočástic jsou interakce s okolním prostředím podle zákonů kvantové fyziky. Takto chápané procesy, které dění v nanorozměrech determinují, jsou v porovnání s fyzikálními projevy, které je možné pozorovat v běžném „makro“ prostředí do značné míry nekompatibilní. Nehledě na tuto výlučnost, jsou ovšem na kvantových jevech osnovány i vlastnosti v makro rozměrech dobře známé, kterými jsou příkladně elektrická vodivost nebo magnetismus (Jones 2007: 12-13). Podstatou působení kvantových jevů je schopnost nanočástic zadržovat nebo uvolňovat elektrony, což vede u materiálů jako polovodiče a vzácné kovy ke změně optických, magnetických a elektrických vlastností³⁶ (Lee 2008: 238-241).

Druhým zásadním činitelem, který u materiálů rámci nanometrů díky přiblížení se dimenzím atomů vyvstává, je mimořádný poměr mezi povrchem a hmotou (bulk to surface ratio). Zmíněná unikátní proporcionalita je dána počtem atomů hraničících s povrchem vyděleným celkovým kvantem atomů daného materiálu³⁷ (Wilson 2002: 26). Právě zvýšená relativní velikost povrchu materiálu vůči jeho hmotě, v porovnání s objemnějšími strukturami, je díky vyššímu počtu povrchových atomů zasahujících do odlišného prostředí, ve kterém postrádají část vazeb, příznačných pro atomy, jenž jsou obklopeny ze všech stran, zdrojem povrchové energie a chemické reaktivity. Typickým projevem nárůstu této veličiny je změna či spíše intenzifikace chemických vlastností, znamenající rychlejší nástup procesů tání, vznícení a/nebo absorpce, využitelné například pro účely detekování a katalýzy (Wilson 2002: 58, Williams 2007: 40, 163, Lee 2008: 241-242).

Dalším univerzálním benefitem, spojeným s nanorozměry hmoty je tendence k nižšímu počtu strukturálních nedokonalostí, jež se kumulují s narůstající velikostí, v závislosti na druhu materiálu snižují jeho sílu (Jones 2004: 75). Kvalitnější vnitřní struktura poskytuje vysvětlení pro vyšší míru mechanické odolnosti, jíž nanočástice v porovnání s běžnou formou stejného materiálu disponují³⁸. Vzhledem tomu, že se tímto způsobem materiál může limitně přiblížit k ideálním teoretickým hodnotám, kterých lze v daném ohledu dosáhnout, může být rozdíl mezi dvěma tělesy ze stejného materiálu, lišícími se toliko velikostí skutečně překvapivý (Hošek 2011: 38). Ideálních vlastností lze úpravou nanostruktury docílit pro materiály libovolných rozměrů (zde především kovy), založené na krystalické bázi. V tomto ohledu je klíčová velikost zrn, ze kterých se látka skládá, v podstatě lze říci, že se snižující se velikostí krystalové struktury roste mechanická odolnost, neboť se menší zrna vnitřně nedeformují a k jejich „skluzu“ je potřeba vynaložit více energie (Implications of emerging micro- and nanotechnologies 2002: 105).

Zatímco z předešlých charakteristik těží bez výjimky každý materiál, spadající do kategorie nanorozměrů, u některých řešení je navíc přidaná hodnota tvořena i proveditelností seskupování nanočástic tak, aby bylo specifickým způsobem využito konkrétních fyzikálních nebo chemických vazeb³⁹, které patří do množiny jeho inherentních interakčních možností. To umožňuje maximalizovat potenciál materiálů a například vytvářet struktury nejvyšší možné pevnosti. Jako ukázkový zástupce této praxe se v tomto ohledu nabízejí jednoznačně rozličné formy uhlíku, jenž má dispozice k vytváření nejsilnější známé kovalentní vazby (Minoli 2009: 74). V souladu s již uvedeným, je patrné, že je v rámci nanotechnologií využíváno koexistence všech zmíněných jevů což se projevuje značným překrýváním rozsahů schopností, jednotlivých používaných řešení.

Jakkoliv jsou vlastnosti, a možnosti, které hmota v nanorozměrech má obrovskou aplikační příležitostí, na druhou stranu jsou v jistém smyslu omezující kvůli své nekompatibilitě s makro prostředím (Jones 2007: 12-13). V nanorozměrech pozbývají funkčnost jinak univerzálně platné principy, jako například Ohmův zákon (Minoli 2009: 11), působení sil, které jsou v makroprostředí velmi dobře patrné, jako na hmotnosti závislá gravitace, se umenšuje do zanedbatelné míry a naopak jiní činitelé nabývají na významu (a/nebo je jejich intenzita ovlivnitelná) pouze v nanorozměrech. V nanoprostředí se jedná především o elektromagnetickou interakci, projevovanou ve formě elektrostatického náboje, Van der Waalsových sil nebo Cassimirova efektu (Jones 2007: 65).

Určování komplexních vlastností nanočástic tak podléhá mnohem vyšší míře nejistoty než u materiálů v makro rozměrech a řada vlastností je v běžných podmínkách dosažitelná pouze teoreticky. Na tomto jevu se opět podílejí charakteristiky nanoproduktů i změněné vlastnosti prostředí, které je nanorozměrům poplatné. Tato omezení jsou příhodně reprezentována v případech interakcí s kapalinami, kde je nutné přičíst do realizačních úvah Brownův pohyb a navýšenou míru inerce a viskozity která je tekutinám v nanorozměrech vlastní. Jednotlivé nanočástice mají krom toho tendenci přilínat k sobě navzájem a povrchům předmětů v okolí, (Jones 2007: 13, 56, Hošek 2011: 37).

Nevýhodnými se mohou za některých okolností jevit i sklony nanomateriálů, za jiných podmínek velmi žádoucí, jako například snížená chemická stabilita daná výše rozvedeným poměrem povrchu vůči celkové hmotě. Příkladem může být zintenzivněná oxidace řady kovových nanočástic v neinertním prostředí, která vede k potažení vrstvou jejich oxidu, jenž je učiní chemicky neaktivními a tak nevhodnými pro další uplatnění, jak podotýká Ramsden (2009: 24, 29), či přímo zapříčiní jejich vznícení. Obecně je také nutno věnovat zvýšenou pozornost radikálním změnám vlastností v závislostech na stáří částice, nebo jejímu vystavování fyzikálním a chemickým vlivům (Drexler a Pamlin 2013: 21).

Základní výrobní postupy

Jak již bylo opakovaně zmíněno, prostředí nanorozměrů je do značné míry specifické, což se odráží i v konstrukčních přístupech k jejich výrobě. Existuje i alternativa, kterou je využití nanočástic, které vznikly bez lidského přičinění, ale v praxi by odkázanost na tyto zdroje znamenala natolik velké omezení potenciálu nanotechnologií, že je k jejich produkci nutno přistupovat aktivně. Při výrobě existují dvě základní skupiny postupů, které je možno k produkci nanomateriálů využívat - „Top down“ a „Bottom up“. První z uvedených se dá připodobnit k opracování bloku kamene, kde se z původní formy oddělováním materiálu stane výsledný tvar (Williams 2007: 41). Top-down přístup je možno provádět především prostřednictvím miniaturizovaných konvenčních postupů opracovávání materiálu jako například jeho drcením, mletím, kroucením, válcováním, odpařováním, popřípadě dalšími formami dezintegračních metod (Hošek 2011: 61-62).

Bottom-up přístup si lze naopak představit například ve formě Feynmannem uvedené manipulace jednotlivých atomů či molekul, kdy se menší jednotky kombinují, dokud není dosaženo požadovaných výsledků. Vzhledem k tomu že do množiny Bottom-up postupů patří i chemické procesy, bylo na základě tohoto principu (chemické reakce, elektrolýza) možno produkovat nanočástice mnohem dříve, než Top-down metodou (Hošek 2011: 58). Klasickými bottom-up přístupy je fyzikální (PVD) nebo chemická (CVD) dekompozice, naprašování, elektronové, iontové nebo plasmové napařování, ozařování, či spalování určitých prvků (tamtéž 60, 62). Specifickým přístupem v rámci tvorby, jenž jako základní jednotku užívá část a nikoliv celek je tzv. „Self assembly“ což je vytvoření či případně využití takových podmínek, ve kterých se nanočástice do požadovaných forem strukturují samy⁴⁰ (Wilson 2002: 26). V současné době se jako o alternativě pro zavedené Bottom-up přístupy zhusta hovoří i o využívání 3D tisku, který je principielně uplatnitelný na celou řadu materiálů, včetně organických částic.

Oba zmíněné přístupy tendují z podstaty k rozdílným nedostatkům. U top-down se jedná především o časté deformace výsledných struktur, popřípadě kontaminací částic prostředky, kterými je rozmělňování dosahováno (Ramsden 2009: 47) zatímco bottom-up postupy se potýkají s nedostatkem informací, jež by umožnily přesněji designovat podmínky vedoucí k výrobě žádaných nanostruktur což ústí v nižší kontrolovatelnost velikosti a podoby výsledných částic (tamtéž: 77-78).