Obor: Bezpečnostní a strategická studia

3.1Zásadní technická řešení a koncepty

Ačkoliv se kategorie nanotechnologií vyznačuje velkým rozsahem napříč spektrem používaných prvků, určité materiály a zařízení umožněná jejich aplikací zaujímají z hlediska míry užívání nebo přínosnosti významnější pozici než jiné. Následující kapitola se věnuje přehledu nejvyužívanějších materiálů a nejzásadnějších konceptů, které jsou s nanotechnologiemi spojovány. Nejedná se o kategorizaci ve smyslu obsahové výlučnosti, takže se některé skupiny vzájemně prolínají.

3.1.1Materiály a jejich aplikační možnosti

3.1.1.1Grafen

Je materiál tvořený jednou vrstvou do šestiúhelníků poskládaných atomů uhlíku. Kovalentní vazby, na kterých je skladba tohoto prvku založena (jež jsou vlastní i ostatním aplikacím z uhlíkových atomů) činí z grafenu jeden z nejpevnějších materiálů které jsou nám známy. Grafenové struktury také znamenitě vedou teplo, avšak v dále nezformované podobě jsou paradoxně velmi špatnými vodiči elektrického proudu (Minoli 2006: 99, Informatics graphen 2013: 10).

Z hlediska využitelnosti je výhodou, že lze jednotlivé kusy grafenu spojovat dohromady ve větší celky, bez podstatné ztráty jeho vlastností. Aplikace, pro které se grafen hodí, jsou především ohebné displeje, solární buňky, optické a jiné senzory, tranzistory a polovodiče (Graphene – the worldwide patent landscape in 2013 2013: 10, 22, Borghino 2013). Další využití, která se pro grafen nabízejí, spočívají především v jeho tvarově odlišných podobách fullerenů a uhlíkových nanotrubic. I přes to, že je grafen nejznámějším prvkem svého druhu, jsou obdobné schopnosti vysledovatelné i u analogických struktur složených z jiných materiálů.

Obrázek : Grafen, zdroj: http://graphene.nus.edu.sg/content/graphene

3.1.1.2Fullereny

Pod tímto názvem se skrývají kulovité útvary, skládající se z atomů jednoho prvku - zde uhlíku, jehož částice mezi sebou vytvářejí ve srovnání s jinými materiály výjimečně silnou vazbu. Původní forma fullerenu – tzv. Buckminster fullerene, který je pokládán za ideální typ seskupení, se skládá z 60 symetricky rozložených atomů uhlíku, avšak existují i formy s jejich nižšími a vyššími počty, s těžko určitelným maximálním limitem počtu atomů. Tento materiál vykazuje řadu unikátních vlastností, například supravodivost, potažmo další elektrické vlastnosti a výjimečnou mechanickou odolnost, což jej předurčuje k užívání v optoelektronických materiálech nebo jako prostředek augmentace povrchů řezných, či obráběcích nástrojů (Minoli 2006: 13, Hošek 2011: 116-119).

Obrázek : Fulleren, zdroj: http://graphene.nus.edu.sg/content/graphene

3.1.1.3Uhlíkové nanotrubice

Jedná se v podstatě o obdobu fullerenů, u kterých, jak napovídá název, jedna rozměrová dimenze přesahuje ostatní, což vytváří podlouhlý tvar. Tyto nanočástice mohou i přes nepatrný průměr dosahovat až délky v rozměrech centimetrů. Existuje velké množství variací, takže jsou k dispozici exempláře s uzavřenými či otevřenými konci, popřípadě trubice různých tvarů, či o více stěnách.

Obecně se jedná o vynikající vodiče tepla a elektrického proudu, s pevností v tahu, dosahující až stonásobku oproti srovnatelnému množství oceli při pouhé šestině její hmotnosti, vyznačující se rovňež odolností vůči vysokým teplotám, a neobvyklou elasticitou. Zmíněné vlastnosti nanotrubic se přitom mění v závislosti na jejich typu a rozměru, takže určité formy jsou, navzdory tendenci vést proud výborně, polovodiči (Hošek 2011: 119-121, Minoli 2006: 12, 99).

Nanotrubice jsou používány především k produkci kompozitních materiálů polymerů, kovů a keramiky (nanokompozitů), jímž propůjčují vyšší pevnost, tuhost a pružnost nebo je vylepšují v ohledech vedení tepla, elektřiny a absorpce dopadajících záření. Nelze pominout ani jejich potenciál v oblasti optických detektorů, senzorice, uskladňování energie, elektronických aplikacích a jako miniaturizované mechanické součástky, pracující na principu reverzní deformace při vystavení elektro-chemického náboje (Hošek 2011: 125-126, Minoli 2006: 108, Wilson 2002: 105). Nanotrubice je možné kombinovat i s jinými příbuznými strukturami uhlíku, zejména možnosti jejich kombinace s grafenem se v současné době intenzivně zkoumají.

Obrázek : Uhlíková nanotrubice, zdroj: http://graphene.nus.edu.sg/content/graphene

3.1.1.4Nanokrystaly a kvantové nanoprvky

Nanokrystaly jsou shluky atomů krystalických látek, rozměrově v řádech nanometrů, s kontrolovatelnou velikostí a povrchem, které umožňují ovlivňovat jejich vlastnosti (Williams 2007: 144). Nanotečky či kvantové tečky jsou výstupky o rozměrech v řádech jednotek až tisíců atomů, vytažené nad strukturu povrchu. Jedná se o polovodivý poddruh nanokrystalů, vytvořený zpravidla z materiálu tak malých rozměrů, že rozdíly v počtech obsažených elektronů mají za následek podstatné změny v jejich vlastnostech (vodivost, emise světla). Kvantové tečky se pokládají za použitelnou náhradu klasických tranzistorů a mohou teoreticky propůjčit výpočetní jednotce na jednom čipu větší výkon, než mají dnešní superpočítače nebo umožnit výrobu nových elektronických a optoelektronických zařízení (Gruska 1999: 311, Jha 2008: 363-364). Obdobami kvantových teček, lišící se nižším počtem dimenzí, které zasahují do nanorozměrů, jsou další polovodičové struktury - kvantové jámy (dvě dimenze) a kvantové dráty (jedna dimenze), (Martinez-Duart et al. 2006: 91).

3.1.1.5Nanokompozity

Kompozity jsou založeny na principu kombinace dvou nebo více materiálů, umožňující vzájemné sdílení svých charakteristik. Materiály, jejichž kvality jsou formovány přidáváním nanočástic, se nazývají nanokompozity. Od běžných kompozitů se vyjma velikosti přidaných částic odlišují především i jejich rovnoměrnějším rozložením v základní hmotě, čímž posouvají proces kompozice k mnohem větší dokonalosti a konvenční kompozity v příslušných ohledech překonávají. Tímto způsobem lze zvolené struktury obohatit o nové mechanické vlastnosti (odolnost proti otěru, pevnost, ohebnost atd.), manipulovat s termální stabilitou a rychlostí hoření, propůjčit jim elektrickou vodivost nebo jiné, s nanotechnologiemi asociované vlastnosti. Základní tři skupiny upravovaných materiálů jsou kovové (převažující nano aditiva jsou keramické částice a různé druhy vláken), keramické (běžné přísady jsou tvořeny obvykle jinými keramickými materiály) a polymerové struktury, jež se ponejvíce stávají cílem různých forem uhlíku, nanočástic rozmanitých oxidů a řady dalších materiálů. Do kategorie nanokompozitů spadají i méně konvenční materiály jako aerogely, což jsou velmi lehké, tvrdé a tepelně izolující struktury, tvořené téměř ze sta procent vzduchem uzavřeným v dutinkách oxidu křemičitého, nebo dalších materiálů. (Hošek 2011: 96-99, Ramsden 2009: 20-21, 66, Minoli 2009: 117-119). Velikost množiny dostupných nanokompozitů koresponduje s šíří jejich uplatnění. Jedná o četné konstrukční prvky, využívající vlastnosti rozmanitých nanočástic s účelem zkvalitnění zvoleného výstupního produktu. Obdobami nanokompozitů, ve které je pevná složka obohacovaného materiálu nahrazena složkou tekutou, obsahující aditiva v nanorozměrech, jsou označovány jako nanotekutiny (Hošek 2011: 58).

3.1.1.6Nanopovlaky

Do této kategorie se klasifikuje jakýkoliv materiál, upravující povrchovou morfologii objektů, který má formu povlaku a strukturálně (póry, tloušťka, povrchové útvary) zasahuje do nanorozměru (při aplikaci na odlišný materiál se tedy stávají druhem nanokompozitu). Aplikací nanofilmu je sledována úprava vlastností materiálu v ohledech mechanických, strukturálních, elektronických a optických vlastností. Nanopovlaky mohou mít řadu funkcí, mezi které patří piezoelektrická schopnost, vodivost, superhydrofobie, atp. (Lee 2008: 249-252, Minoli 2009: 120-121) Specifickým druhem nanopovlaků jsou samovolně seskupené monovrstvy (Self assembled monolayers, dále SAM), které se konstituují především pomocí využívání chemických vazeb mezi povrchem a krycím materiálem a vzájemných intermolekulárních sil nanopovlaku. Potenciál využití SAM je produkce biosenzorů, tištěných spojů pro potřeby dalších nanotechnologických výrobků, prostředky kontroly frikce atp. (Lee 2008: 250-252, 255).

3.1.2Koncepty využitelných systémů

Pokročilou formou využití nanomateriálů jsou systémy v podobě konceptů (některé zatím rozpracovány na převážně teoretické rovině), u kterých se předpokládá největší aplikační potenciál. Vzhledem k zaměření této práce jsem zvolil k prezentaci následující skupinu prvků, které s nanotechnologiemi při realizaci počítají.

3.1.2.1Kvantové výpočetní soustavy

Tyto výpočetní systémy, jsou současné době již dostupné, ovšem jedná se o technologii v její základní podobě. Kvantové jevy, na kterých jsou kvantové počítače založeny, souvisí se změnami chování elementárních částic jako elektrony či fotony. Přitom se jedná o z makro hlediska nevyužívané vlastnosti jako stupeň excitace či využití spinu částic (dá se přibližně charakterizovat jako rotace) a polarizační roviny u fotonů. Kvantový počítač využívá princip paralelizace procesů, a zatímco známá binární logika 0/1 je ve standardním počítači zmnožením rozvedena do výstupů, se kterými může uživatel pracovat, kvantové počítače předpokládají práci s obsažením obou těchto stavů současně, prostřednictvím vzájemně spojených reakcí kvantových částic (Gruska 1999: 5-6, 59).

Přestože se realizace kvantových počítačů setkává s problémy založenými na nesoudržnosti vlastností užívaných systémů, dosavadní vývoj ukazuje na značný potenciál. Vytvoření výkonného kvantového počítače a algoritmů, které designovaných tak, aby jeho kapacity plně využily, by přineslo revoluci v ohledu výpočetní síly (Wilson 2002: 216-223). Uvedené charakteristiky situují kvantové počítače do pozice vybavení, znamenajícího přelom v pojetí kryptografie, jelikož by činilo současné asymetrické metody šifrování neúčinnými, a v jiných, extrémně náročných výpočetních operacích.

3.1.2.2DNA (molekulární) výpočetní systémy

Jsou biologickou alternativou standardních výpočetních procesů zajišťované použitím v deoxyribonukleové kyselině, které suplují funkci základních logických operací. Výhodou těchto postupů je značná míra paralelizace, výjimečná energetická efektivita, a vysoká hustota „ záznamového média“, které jsou příslibem nesrovnatelně vyššího výpočetního výkonu oproti dnešním superpočítačům, i přes menší rychlost molekulárních procesů a spotřebu minimálního množství energie (Watada a Bakar 2008: 288-291).

3.1.2.3Inteligentní materiály

Tímto názvem je označována skupina produktů, které jsou schopny reagovat na vnitřní či vnější změny určitým žádoucím způsobem. Podněty, spouštějící reakci inteligentních materiálů, mohou být různé druhy záření, tlak, chemické látky elektrická energie atp. Odezvou inteligentního materiálu je změna některé ze širokého spektra možných vlastností – například generování elektrického proudu při mechanickém namáhání, změna tvaru při vystavení magnetickému poli nebo dočasné strukturální a tvarové změny vyvolané teplotními výkyvy. Typickými představiteli materiálů s těmito schopnostmi jsou slitiny a polymery s tvarovou pamětí (shape-memory alloys, SMA a shape-memory polymers, SMP), a piezoelektrické nebo magnetorestriktivní prvky (Akhras 2000: 2-6, Implications of emerging micro- and nanotechnologies 2002: 108).

Zásadní formou využití inteligentních materiálů jsou takzvané inteligentní struktury, tedy systémy obstarávající komplexnější funkce přes příjem a vyhodnocení dat, až po výslednou reakci. Příkladem zmíněného jsou senzory, aktuátory (opak senzorů, materiály, které přenášejí informace na pohyb) a různé druhy samoregulačních systémů (ideální představitelé jsou živé organismy). Možné využití je i v širokých možnostech „zinteligentnění“ rozličných předmětů, jako je oblečení reagující na počasí, nástroje s možností tlumení vibrací, popřípadě snižování hladiny hluku v dopravních prostředcích (Akhras 2000: 2-6).

Projevy inteligentních materiálů a struktur sice není možné přičítat automaticky využití nanotechnologií, avšak tyto charakteristiky jsou nezřídka důsledkem jejich aplikace. Například u polymerů s tvarovou pamětí jsou nanočástice obsažené v materiálu, měnícím podle požadavků svou strukturu zdrojem vyšší rezistence proti mechanickému zatížení (Savage 2004: 15). Na řadu inteligentních materiálů a systémů může být v závislosti na jejich velikosti nebo funkci pohlíženo ve smyslu následujích dvou popisovaných kategorií.

3.1.2.4MEMS a NEMS

Tyto zkratky označují Micro/Nano elektro-mechanické systémy, což jsou miniaturní zařízení, reprezentující současnou hranici nejmenší dosažitelné velikosti. Podstatou MEMS/NEMS je využití jednotlivých prvků na mikro/nano úrovni k výstupům v makroúrovni. Formou se jedná o nepříliš sourodou skupinu produktů, s variacemi provedení od soustav bez pohyblivých komponentů (s pasivními prvky k ovládání toku mikrokapalyn nebo šíření optických a radiofrekvenčních signálů), po senzorické systémy, převádějící určité podněty do podoby elektronických dat nebo struktury stojící na principu jim komplementárních aktuátorů a systémy, které oba tyto principy kombinují. Vzhledem k nízké velikosti je pohyb mechanických částí těchto zařízení zajišťován zejména elektromagnetickou indukcí nebo elektrostatickými silami.

Dosavadní možnosti využití je pole senzoriky s příklady čidel tlaku, magnetické intensity, akcelerometrů a chemických analyzérů). Další významnou oblastí je optoelektronika, kde se MEMS/NEMS uplatní jako prostředky vytváření optického signálu a jeho manipulace pomocí laserů a miniaturních odrazových ploch. Obdobný význam nesou i u radiofrekvenčních zařízení coby induktory, detektory, modulátory a další prvky komunikačních a senzorických zařízení (Jha 2008: 3, Implications of emerging micro- and nanotechnologies 2002: 70-76, Pradeep 2008: 340).

3.1.2.5Samoopravovací materiály

Takto designované materiály (momentálně jde hlavně o polymery a další druhy plastů) jsou inspirovány reparativními procesy, probíhajícími v živých organismech. Opět se a priori nejedná o důsledky aplikace nanotechnologie, ačkoliv na kvalitu výsledků má realizace efektu v nanorozměrech zásadní vliv. K dosažení samoopravných funkcí je v současné době užíváno dvou základních principů. Prvním je z hlediska počtu možných oprav materiálu omezený systém mikrodutin s látkou, která se při poškození dané struktury rozptýlí do oblasti vzniklého defektu a přemosťuje části, kde hmota chybí. Druhou vývojovou větví reparativních metod je design materiálu, umožňující využívat vyvolatelných chemických reakcí, což teoreticky nelimituje množství provedení případné opravy. Většina těchto přístupů však vyžaduje k samoopravným aktivitám silný energetický stimul ve formě změny teploty, světla nebo určitého Ph chemického prostředí. Nanotechnologie a různé reaktivní nanočástice přitom mohou být v radě metod použity buď ke snížení, nebo úplnému odstranění nutnosti těchto vnějších katalyzačních podnětů (Wilson 2013, Borghino 2014).

3.1.2.6Nanoroboti

Nejspíš není možné vybrat lepší příklad technologie, která by odpovídala představitelnému maximu nanotechnologických možností, než jsou nanoroboty. Automaty s dimenzemi v nanorozměrech, jakkoliv je tato myšlenka přitažlivá, však dělí od potenciální realizace řada dosti podstatných překážek. Třebaže je tato kategorie je velmi široká, s řadou podstatných odchylek ve vyžadovaných vlastnostech závisejících na zamýšlené funkci nanorobotů, většina z nich se v ohledu určitých nároků shoduje. Sdílené sporné oblasti jsou především požadavky na vybavenost takových strojů komplexní skupina senzorů a ovládacích mechanismů, nutnost určité míry programovatelnosti, pouze teoretické vymezená řešení obstarávání energie, nutné pro jejich fungování a závislost na řadě dalších dosud nerealizovaných pokroků v nanotechnologiích (Wilson 2002: 236-237). V praxi jsou nejmenší vyvinuté roboty, schopné samostatného pohybu, v řádech milimetrů až centimetrů v závislosti na komplexitě úkonů, které vykonávají⁶. Prezentované nedostatky v koncepci funkčních nanorobotů by se mohly zdát nepřekonatelnými omezeními, ovšem rezignaci na snahy o jejich dosažitelnost odporuje poměrně silný argument v podobě poukazování na vlastnosti živých organismů, které v nanorozměrech podobnými funkcemi disponují, a tedy důkaz, že praktická dosažitelnost miniaturních autonomních jednotek není v rozporu s žádným fyzikálním principem.