4. “N” for Nanotechnology: η επιστροφή του Προμηθέα…

“There‘s plenty room at the bottom”

Richard Feynman

1965 Nobel Prize in Physics

Συνεχίζοντας το ταξίδι στο μέλλον που ξεκινήσαμε στο προηγούμενο τεύχος με όχημα το τρίπτυχο GNR[1], φανταστείτε μια τεχνολογία τόσο ισχυρή που θα επιτρέπει αληθινά θαύματα: βιομηχανική παραγωγή στο σπίτι, επισκευή κυττάρων, τεχνητή νοημοσύνη, φτηνά διαστημικά ταξίδια, καθαρή και άφθονη ενέργεια, αποκατάσταση του περιβάλλοντος. Μια τεχνολογία τόσο καθολική, που θα προσφέρει τα οφέλη της σε όλη την ανθρωπότητα, τόσο θεμελιακή που θα αλλάξει ριζικά τα οικονομικά και πολιτικά συστήματά μας και τόσο επικείμενη, που οι περισσότεροι από μας θα γνωρίσουμε τον αντίκτυπό της στη διάρκεια της ζωής μας: αυτή είναι η υπόσχεση της νανοτεχνολογίας. Η νέα αυτή τεχνολογία αιχμής του 21^ου αιώνα (η οποία ονομάζεται και «μοριακή βιομηχανική παραγωγή») βασίζεται στην ιδέα ότι οποιαδήποτε χημικά γνωστή δομή, μπορεί να κατασκευαστεί. Ως βιομηχανική διαδικασία "από κάτω προς τα πάνω" (bottom-up procedure) αντιπροσωπεύει μια ριζοσπαστικά διαφορετική προσέγγιση από όλες τις προηγούμενες τεχνολογίες. Κάθε επιθυμητό αντικείμενο ή δομή θα δημιουργείται άτομο προς άτομο, αντίθετα από τις υπάρχουσες τεχνολογίες μαζικής διαμόρφωσης της ύλης. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη συναρμολόγηση δομών σε ατομικό επίπεδο είναι η ανάπτυξη μοριακών συναρμολογητών (molecular assemblers), δηλαδή μικροσκοπικών προγραμματιζόμενων ρομπότ ικανών να προσφέρουν επακριβείς χημικούς δεσμούς. Εξοπλισμένοι με τη δυνατότητα αναπαραγωγής, οι νανοσυναρμολογητές θα διαθέτουν μοναδική αποτελεσματικότητα για τη δημιουργία επιθυμητών προϊόντων και θα κρατούν έτσι το κόστος παραγωγής πολύ χαμηλά - λίγο παραπάνω από το κόστος της ενέργειας και των πρώτων υλών. Αυτές οι γρήγορες, φτηνές και επακριβείς βιομηχανικές δυνατότητες θα έχουν συγκλονιστικές επιπτώσεις σε κοινωνικό επίπεδο και θα ανοίξουν την πόρτα σε αδιανόητα μέχρι σήμερα ενδεχόμενα. Αλλά και σε νέους, ίσως, εφιάλτες.

Οι μεγάλες επιτυχίες της σημερινής επιστήμης και μηχανικής είναι στενά δεμένες με την αυξανόμενη κατανόηση του σύμπαντος σε ολοένα και μικρότερες κλίμακες και βασίζονται στη γνώση της κβαντομηχανικής και των ηλεκτρικών δυνάμεων ανάμεσα στα άτομα και τα μόρια. Παρόλα αυτά, ο ατομικός μικρόκοσμος παραμένει μυστηριώδης, καθώς απέχει έξι ή επτά τάξεις μεγέθους από την ανθρώπινη αντιληπτική ικανότητα. Τα μάτια μας μπορούν να διακρίνουν λεπτομέρειες χιλιοστομετρικής κλίμακας (10-3m), αλλά τα μόρια βρίσκονται στη νανομετρική κλίμακα (10-9m) και τα άτομα, που είναι ακόμα μικρότερα, βρίσκονται στην κλίμακα Angstrom (10-10m). Το μεσαίο νανομετρικό έδαφος (10-9m) θεωρείται η περιοχή της ύλης και ο τρόπος οργάνωσής της έχει πολύ μεγάλη σημασία: τα άτομα του άνθρακα όταν είναι τοποθετημένα κατά ένα συγκεκριμένο τρόπο μας δίνουν το φτηνό κοινό γραφίτη, ενώ με μια διαφορετική τοποθέτηση φτιάχνουν πολύτιμα διαμάντια. Το αρσενικό από μόνο του αποτελεί θανάσιμο δηλητήριο, αλλά ενσωματωμένο στην κρυσταλλική δομή του γαλλίου αποτελεί τη βάση ακριβών ημιαγωγών. Τα PCB και άλλα τοξικά απόβλητα μπορούν να γίνουν αβλαβή ή ακόμα και να ανακυκλωθούν σε χρήσιμες ύλες αν ανασυντεθεί η μοριακή δομή τους. Λίγα άτομα που απουσιάζουν από ένα ένζυμο ή μερικές λανθασμένες βάσεις στο γενετικό μας κώδικα μπορούν να δημιουργήσουν χάος στην υγεία μας. Έτσι, η ανακατάταξη και ο ανασυνδυασμός των ατόμων έχει κρίσιμη και ρυθμιστική σημασία για την ανθρώπινη ζωή. Κάτω απ' αυτό το πρίσμα, μπορεί κανείς να δει τις ασύλληπτες δυνατότητες της νανοτεχνολογίας, η οποία μας προσφέρει τον τελικό έλεγχο πάνω στην ύλη.

Μέχρι σήμερα, όλες σχεδόν οι τεχνολογίες μας ανήκουν στην κατηγορία «από πάνω προς τα κάτω» ή αλλιώς «χονδρικής διαμόρφωσης της ύλης». Δηλαδή, οι πρώτες ύλες ανασύρονται με μεγάλο κόστος από μεταλλεία, δάση ή χωράφια, μεταφέρονται σε χυτήρια, αποστακτήρες και άλλα κέντρα κατεργασίας και ύστερα σε εργοστάσια για να συναρμολογηθούν σε προϊόντα πριν διανεμηθούν στις αγορές. Σε κάθε φάση, η ύλη καθαρίζεται, κόβεται, λιώνεται, αποστάζεται και γενικά υφίσταται μια όλο και λεπτότερη κατεργασία. Και κάθε φάση κοστίζει συνήθως πιο ακριβά από την προηγούμενη, ενώ προκαλεί περιβαλλοντική καταστροφή στη γη και τα οικοσυστήματα με τα συνήθη απόβλητά της. Η νανοτεχνολογία, από την άλλη πλευρά, είναι μια τεχνολογία «από κάτω προς τα πάνω». Κάθε επιθυμητό προϊόν μπορεί να παραχθεί κατευθείαν, άτομο προς άτομο ή μόριο προς μόριο. Οι αναγκαίες πρώτες ύλες και ενέργεια δεν χρειάζεται να συγκεντρωθούν από μακρινές πηγές. Αντίθετα, κάθε πρόσφορο υλικό, όπως χώμα, σκουπίδια ή ακόμα και ο αέρας, μπορεί να διασπαστεί στα συστατικά του άτομα και να ανασυντεθεί σε χρήσιμα προϊόντα με τους μοριακούς συναρμολογητές της νανοτεχνολογίας. Ο ήλιος και πολλά βιολογικά υλικά μπορούν να γίνουν πηγές ενέργειας, επιτρέποντας έτσι την απεξάρτηση από το πετρέλαιο ή το ουράνιο. Η νανοτεχνολογία θα είναι επακριβής σε επίπεδο ατόμων, δηλαδή οτιδήποτε κατασκευασμένο με νανοτεχνολογία θα πρέπει να έχει κάθε άτομο στη σωστή θέση. Θα φτιάχνει δομές συνεπείς προς τους νόμους της φυσικής, τις οποίες θα καθορίζουμε στο επίπεδο της ατομικής λεπτομέρειας και τα προϊόντα της θα είναι φτηνά, με ένα συνολικό κόστος σχεδόν ίσο με τις ποσότητες ύλης και ενέργειας που θα χρησιμοποιείται. Για να μπορούν να ικανοποιούνται τα τρία αυτά κριτήρια, χρειαζόμαστε επακριβή έλεγχο θέσης και αυτό-αναπαραγωγή. Οι γενικοί μοριακοί συναρμολογητές, που πρώτος εισήγαγε ο Dr. Eric Drexler [2], θα τα προσφέρουν και τα δύο. Στην πιο στοιχειώδη του μορφή, ένας συναρμολογητής θα αποτελείται από ένα μοριακό βραχίονα χειρισμού και ένα nano-computer. Ο προγραμματιζόμενος nano-computer θα είναι σε θέση να δέχεται εντολές και να κατευθύνει το βραχίονα χειρισμού για να τοποθετήσει το σωστό άτομο (ή μόριο) στην επιθυμητή θέση με τον επιδιωκόμενο προσανατολισμό, προσφέροντας έτσι επακριβή έλεγχο ως προς τα σημεία των χημικών αντιδράσεων. Συνδέοντας άτομα ή μόρια μεταξύ τους, ο συναρμολογητής θα μπορεί να προσφέρει την οποιαδήποτε αναγκαία ενέργεια (αν η αντίδραση συμβαίνει να μην είναι ενεργειακά ισχυρή) μέσω φυσικής δύναμης, εξασφαλίζοντας έτσι μηχανοσύνθεση, σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς τρόπους χημικής σύνθεσης σε διαλύματα. Στην πραγματικότητα, ένας μοριακός συναρμολογητής μπορεί να θεωρηθεί ως ο τελικός χημικός καταλύτης, που θα μπορεί να προκαλέσει οποιαδήποτε φυσικώς επιτρεπτή χημική αντίδραση. Η ικανότητα αυτή, συνδυασμένη με ένα χημικώς αποδεκτό υπόδειγμα, θα επιτρέπει να κατασκευαστούν άτομο προς άτομο και μόριο προς μόριο μεγάλες δομές με υψηλή ατομική ακρίβεια. Εξίσου σημαντική θα είναι η ικανότητα των συναρμολογητών να κατασκευάζουν αντίγραφα του εαυτού τους, γεγονός που θα μειώνει δραματικά το χρόνο και το κόστος της παραγωγής.

Αναμφίβολα, προκύπτουν πολλά ερωτήματα για τις ιδέες της νανοτεχνολογίας και των μοριακών συναρμολογητών. Ως προς το ερώτημα της δυνατότητας υλοποίησής τους, αξίζει να θυμόμαστε ότι η βιολογία λειτουργεί δισεκατομμύρια χρόνια με φυσικώς εξελιγμένη μοριακή παραγωγή. Η νανοτεχνολογία θα είναι μια εξέλιξη και επέκταση του πώς εργάζεται η φύση σε μοριακή κλίμακα. Τα παραδείγματα της φύσης δίνουν τις απαντήσεις σε πολύ βασικά ερωτήματα: Μπορούν να δομηθούν μακροσκοπικά αντικείμενα από διαδικασίες μοριακής κλίμακας; Ναι, χάρη στην ασυμπτωτική ανάπτυξη. Είναι σταθερά τα μοριακά αντικείμενα; Ευτυχώς για μας, είναι. Τι γίνεται με τα κβαντικά φαινόμενα; Είναι σαφές ότι δεν αποκλείουν τις μοριακές δομές. Στην πραγματικότητα, ίσως μας βοηθήσουν να φτιάξουμε εξαιρετικά γρήγορους nano-computer, αντί αυτών που διαθέτουμε σήμερα [3]. Η πρώτη κρίσιμη εξέλιξη που απαιτείται είναι η ανάπτυξη του γενικού μοριακού συναρμολογητή. Το πιο πιθανό σενάριο είναι ότι αρχικά θα κατασκευάσουμε απλά μηχανικά εξαρτήματα, ύστερα θα τα συνδυάσουμε σε ένα όλο και πιο πολύπλοκο σύνολο μέχρι τελικά να φτάσουμε στον συναρμολογητή. Τα βασικά εξαρτήματα, όπως μοριακές ράβδοι, γρανάζια, ρουλεμάν και σύνδεσμοι, είναι ήδη πραγματικότητα [4] (ή πολύ κοντά στο να γίνουν) μέσω της χημείας και της μηχανικής πρωτεϊνών και στο κοντινό μέλλον θα συναρμολογηθούν με ακρίβεια μέσω της τεχνολογίας αναλύσεων εξ επαφής. O συνδυασμός των τριών αυτών τεχνολογιών, θα ανοίξει το δρόμο για τον γενικό συναρμολογητή. Η νανοτεχνολογία θα είναι το αποκορύφωμα ενός επίμονου στόχου της επιστήμης: του αυξανόμενου ελέγχου πάνω στην ύλη με ολοένα και καλύτερα εργαλεία. Όπως είπε ο Feynman [5] στην προφητική του ομιλία το 1959, "υπάρχει πολύ χώρος στον πάτο". Ο διάσημος Νομπελίστας αισθανόταν από τότε ότι η ικανότητά μας να κάνουμε κάτι τέτοιο είναι "μια εξέλιξη που δεν μπορούμε να αποφύγουμε".

Μετά από έξι δεκαετίες, η υπόσχεση της νανοτεχνολογίας είναι πολύ κοντά στην υλοποίησή της και προσωπικά πιστεύω ότι πολλοί από μας θα γίνουμε μάρτυρες ενός ασύγκριτου, πρωτοφανούς και απόλυτου ελέγχου της ύλης, με ασύλληπτες κοινωνικο-οικονομικές συνέπειες. Η νανοτεχνολογία θα αλλάξει ριζικά τη βιομηχανία, τα computers, την ιατρική, την εκπαίδευση, τις μεταφορές, τις επικοινωνίες και την ψυχαγωγία - κυριολεκτικά, κάθε τομέα της ζωής, αλλά και την ίδια τη δομή του οικονομικού και πολιτικού μας συστήματος. Πολύ πριν τη δύση του αιώνα μας, η νανοτεχνολογία θα μπορέσει να σπάσει τις αλυσίδες της σπατάλης και της εκμετάλλευσης, καθώς δεν θα υπάρχει πια ανάγκη για πρώτες ύλες και φτηνή εργασία. Σχεδόν τα πάντα, θα είναι εφικτό να κατασκευαστούν από τον άφθονο άνθρακα που υπάρχει στο περιβάλλον. Οτιδήποτε θα μπορεί να διαλυθεί στα συστατικά του άτομα και να ανασυντεθεί σε άλλο -- δηλαδή, ανακύκλωση 100%. Οι περισσότερες μορφές σπανιότητας θα έχουν πολύ λίγη σημασία σε μια κοινωνία νανοτεχνολογίας, ιδιαίτερα όταν οι αποικίες στο διάστημα θα ανακουφίσουν τον πλανήτη από τις πληθυσμιακές πιέσεις. Με αυτό-αναπαραγόμενους συναρμολογητές να πραγματοποιούν την παραγωγή, το κόστος θα είναι ελάχιστο, η ανάγκη για ανθρώπινη εργασία σχεδόν θα εξαφανισθεί και μόνο η εργασία για προγράμματα και σχεδιασμό θα αποτελεί κόστος στον επερχόμενο νανοτεχνολογικό κόσμο. Η οικονομική αποκέντρωση θα ήταν μια άλλη μεγάλη θετική συνέπεια, καθώς οι συναρμολογητές θα μπορούσαν εύκολα να κάνουν την παραγωγή μια φορητή υπόθεση. Αποσυνδέοντας τις υλικές μας ανάγκες από μακρινούς τόπους και κατακτώντας την απόλυτα καθαρή βιομηχανική παραγωγή, η εντελώς αντιδημοκρατική τάση των τελευταίων αιώνων, που συγκεντρώνει την τεχνολογία και τον πλούτο στα χέρια λίγων, θα μπορούσε να ανατραπεί ταχύτατα. Με την οικονομική αποκέντρωση θα ήταν δυνατό να επέλθει και η πολιτική και γεωγραφική αποκέντρωση, που θα άνοιγε – επιτέλους - ευκαιρίες για μια δημοκρατία με νόημα. Βεβαίως, οι τεράστιες αυτές αλλαγές θα είχαν απρόβλεπτες επιπτώσεις στην κοινωνία, καθώς η νανοτεχνολογία θα έλυνε μεν τα παραδοσιακά προβλήματα της φτώχειας και της πείνας, αλλά ενδεχομένως θα δημιουργούσε καινούργια προβλήματα πλήξης, απληστίας και ίσως ένα νέο είδος εκμετάλλευσης, διαιωνίζοντας την εδώ και χιλιάδες χρόνια κυριαρχία των λίγων ελίτ πάνω στις μάζες. Ίσως όμως, όταν οι άνθρωποι απελευθερωθούν από τις υλικές ανάγκες, να μπορέσουν να κατευθύνουν τις προσπάθειές τους στην καλύτερη κατανόηση του εαυτού τους και στη δημιουργία ενός κόσμου πιο δίκαιου και πιο πολιτισμένου από τον σημερινό…

---

[1] Οι τεχνολογίες αιχμής του 21ου αιώνα, που εν συντομία ακούν στο ακρωνύμιο GNR: Genetics, Nanotechnology & Robotics

[2] Διάσημος ερευνητής και θεωρητικός της Νανοτεχνολογίας (κάτοχος του πρώτου PhD πάνω στο αντικείμενο από το MIT), συγγραφέας του περίφημου βιβλίου «Engines of Creation: the coming era of Nanotechnology», ιδρυτής του «Foresight Institute» και Chief Technical Advisor της Nanorex, μιας από τις πρώτες εταιρίας νανοτεχνολογίας στον κόσμο

[3] Πρόσφατα, η εταιρία Nantero παρουσίασε στα πλαίσια του «Emerging Technologies Conference» έναν νέο τύπο μνήμης για υπολογιστές (NRAM: nanotube-based RAM) που αποτελείται από νανοσωλήνες άνθρακα με ταχύτητα τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερη από τη συμβατική

[4] Ήδη από το 2000 έχει ανακοινωθεί η κατασκευή της πρώτης πραγματικής νανομηχανής από το Cornell University: πρόκειται για ένα μοτέρ και μια μεταλλική προπέλα, μεγέθους 750 νανόμετρων, που παίρνουν ενέργεια από το ίδιο το κύτταρο στο οποίο έχουν προσκολληθεί. Σύμφωνα με δήλωση του Dr. Carlo Montemagno, «άνοιξε ο δρόμος για την δημιουργία κατασκευασμένων μηχανών που θα ζουν μέσα στα κύτταρα»

[5] Αμερικανός επιστήμονας, διάνοια στο χώρο της Φυσικής και της κβαντικής μηχανικής και πρωτοπόρος οραματιστής της Νανοτεχνολογίας, νικητής του βραβείου Νόμπελ φυσικής το 1965

ΔΗΜΟΣΙΕΥΤΗΚΕ ΣΤΟ centro vol.5 - ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ 2006