Home Nanotutkija
PDF Print E-mail

Pieni suuri nanotekniikka

Nano-etuliite tarkoittaa millimetrin miljoonasosaa eli varsin pienistä asioista puhutaan. Pienuus on kuitenkin nanotutkimuksen salaisuus: nanoskaalassa aineet käyttäytyvät erikoisella tavalla ja perinteisten aineiden ominaisuuksia voidaan parantaa atomi- ja molekyylitason suunnittelulla. "Nanobuumi" leviää monilla tieteenaloilla ja tiedotusvälineissäkin nimi vilahtaa yhä useammin. Aikaisemmin vain tieteiskirjallisuuteen kuuluneet nanotekniikan sovellukset kuten nanolääketiede, itsestään korjautuvat koneet sekä älykkäät likaantumattomat vaatteet ja pinnat ovat 2000-luvulla olleet kasvavan kiinnostuksen kohteena.

Tieteiskirjojen visiot ja toiveet ovat vihdoin muuttumassa todellisuudeksi. Nanotekniikkaan perustuvista jo kaupallistetuista tuotteista ovat esimerkkeinä hiilinanoputkilujitteiset iskuja paremmin kestävät jääkiekkomailat, titaanidioksidinanopartikkelit aurinkorasvojen UV-suojina, itsestään puhdistuvat pinnat sekä tietokoneiden tehokkaammat mikropiirit ja prosessorit. Mutta mistä nanotekniikassa oikeastaan on kysymys?

Nanotekniikassa koolla on väliä

Nanotekniikan avulla tutkitaan hyvin pieniä eli millimetrin miljoonasosan mittakaavassa tapahtuvia ilmiöitä. Kokoluokasta saa kuvan vertaamalla nanometrin kokoista palloa tennispalloon, joka puolestaan on samassa suhteessa maapallon kokoon. Luonnossa nanometrin kokoluokka on hyvin yleinen mittakaava. Esimerkiksi ihmisen jokaisen solun sisältämän DNA-koodin yksittäisen emäsparin etäisyys toisista on noin kaksi nanometriä; näitä emäspareja on pakkautunut perimäämme yhteensä noin 3 miljardia kappaletta 23 kromosomiin. Atomien ja molekyylien kokoluokka onkin luonnollinen lähtökohta eri materiaalien ja organismien kehittymiselle maailmankaikkeudessa.

Nykyisin tunnettuja materiaaleja on mahdollista muokata keinotekoisesti nanomittakaavassa. Suurin syy nanotekniikan herättämään mielenkiintoon piilee juuri pienessä mittakaavassa, jossa aineet käyttäytyvät erikoisella tavalla. Nanopartikkelien atomeista suurempi osa sijaitsee pinnalla, joten nanomateriaalien pinta-alan suhde massaan on huomattavasti suurempi kuin isomman mittakaavan aineilla. Pieni koko muuttaa aineiden fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia ominaisuuksia: nanomateriaalien reaktiivisuus ja sähköiset, mekaaniset, magneettiset sekä optiset ominaisuudet voivat poiketa merkittävästi perinteisten materiaalien ominaisuuksista.

Esimerkiksi kulta on normaalisti väriltään keltainen ja pehmeänä helposti työstettävä metalli. Nanomittakaavassa kultapartikkelien ominaisuudet muuttuvat dramaattisesti ja niiden väri riippuu koosta, mitä ominaisuutta on käytetty hyväksi jo vuosisatoja lasin värjäyksessä. Niinpä punainen maljakko on edelleen kallein sen sisältämien kultahiukkasten takia.

Uusia mahdollisuuksia varsinkin lääketieteessä

Nanotekniikan suurimmat mahdollisuudet piilevät sen monialaisuudessa. Tulevaisuudessa on nähtävissä nanotekniikan, fysiikan, kemian, biotekniikan ja materiaalitieteen yhdistyminen yhdeksi kokonaisuudeksi, sillä atomi- ja molekyylitasolla aineen fysikaaliskemialliset ja biologiset ominaisuudet liittyvät läheisesti toisiinsa.

Nanotekniikan tutkimusvälineiden avulla on selvitetty terveiden ja sairaiden solujen eroja. Kun ihmisen perimä on kartoitettu, nanokokoluokan mittauksilla on mahdollista saada uutta tietoa solun käyttäytymisestä ja muutoksista sairauksien yhteydessä. Tämä avaa mahdollisuudet syövän ja muiden tautien varhaiselle diagnosoinnille ja kokonaan uusille hoitomuodoille - jopa ennen taudin oireiden ilmentymistä. Lisäksi monet sairaudet voidaan parantaa tehokkaammin ja vähäisemmillä sivuvaikutuksilla, kun lääkeaine annostellaan suoraan sairaaseen soluun. Myös diabeteksen hoito voi mullistua nanotekniikan avulla, kun reaaliaikainen glukoosipitoisuuden mittaus verenkierrosta säätää automaattisesti ihonalaisen insuliinipumpun toimintaa. Keinonivelten pintaan voidaan päällystää nanokokoluokan kuituja proteiineista, jotka nostavat kudosten sitoutumista, estävät infektioita ja parantavat nivelten kestävyyttä.

Monet teollisuuden alat panostavat voimakkaasti nanotekniikan tutkimukseen. Elektroniikkateollisuus on kuulunut nanotutkimuksen pioneereihin. Tietokoneiden suoritusteho kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein ja esimerkiksi nykyisten kotitietokoneiden prosessoreihin mahtuu yli 100 miljoonaa transistoria, joissa pienimmän yksityskohdan koko on 65 nanometriä. Vastaava transistorimäärä vuonna 1980 oli noin 10 000 eli 10 000 kertaa nykyistä vähemmän. Nanotekniikan avulla transistorien ja virranjohtimien kokoa voidaan edelleen pienentää ja samalla nostaa tietokoneiden tehokkuutta.

Nanotekniikka voi edesauttaa maailman energia- ja ympäristöongelmien ratkaisua: kevyemmät ja lujemmat materiaalit kuluttavat vähemmän energiaa ja raaka-aineita sekä tuottavat vähemmän jätettä. Myös saastuneen maaperän puhdistamiseen voi löytyä ratkaisu nanotekniikan avulla, sillä erittäin reaktiiviset rautaoksidinanopartikkelit voivat sitoa itseensä metalleja sekä hajottaa orgaanisia liuottimia ja tuholaismyrkkyjä yksinkertaisiksi, vaarattomiksi hiiliyhdisteiksi.

Nanotekniikan tulevaisuus ja turvallisuus

Biotekniikan ja geenimanipulaation tavoin myös nanotekniikkaan voi liittyä tuntemattomia riskejä ihmisten terveydelle ja ympäristön hyvinvoinnille. Euroopan ympäristökeskus EEA:n vuonna 2001 julkaiseman raportin mukaan ympäristönsuojelun historiasta löytyy useita esimerkkejä uusista materiaaleista, joiden ympäristöriskeihin herättiin liian myöhään: muun muassa asbestin ja otsonikerrosta tuhoavien yhdisteiden aiheuttamaa vahinkoa olisi voitu pienentää reagoimalla nopeammin riskeistä kertyneeseen tietoon.

Siksi nanotekniikan turvallisuutta on tutkittu ja sitä on tutkittava myös tulevaisuudessa. Yksittäiset nanopartikkelit voivat läpäistä ihmisen ihon tai limakalvon ja siirtyä verenkierron kautta muualle elimistöön. Keinotekoisten nanopartikkelien lyhyt- ja pitkäaikaisvaikutuksia ihmisten terveyteen sekä kertymistä elimistöön että ympäristöön selvitetään jatkuvasti.

Vastuullinen nanotekniikan tutkimus, joka ottaa huomioon mahdolliset riskit ihmisille ja ympäristölle, voi avata ihmiskunnalle uusia mahdollisuuksia, edesauttaa hyvinvointia ja parantaa ihmisten elämänlaatua. Luonto on käyttänyt nanomittakaavan suomia mahdollisuuksia jo miljardien vuosien ajan, ihmiset vasta pari vuosikymmentä. Aika näyttää, kuinka hyvin ymmärrämme luonnon viisautta ja pystymme käyttämään sitä kenties myös hyödyksi.