Нуклеарни рат и разарање крхке природне околине можда нису најгора претња човечанству. Осионе машине мале колико и неколико атома или молекула могле би да учине да изгледају као блага непријатност. Јер, ови сићушни градитељи названи „асемблери”, не само да ће моћи да склапају поједине атоме у веће целине, претварају атоме и молекуле једне супстанце у неку другу, већ и да се размножавају. И зато, ако би ствари случајно измакле контроли, све животиње, људи и биљке могли би да постану њихова храна и жртва. Налик данашњим вирусима, али много способнији и опаснији од њих, пандемија асемблера покорила би Земљу за неколико дана. Нашу лепу плаву планету прекрила би сива, лепљива и љигава супстанца названа „gray goo”. Мада је данас ова опасност вероватна као и живот људи на Марсу, није сасвим одбачена могућност да ће се можда догодити некада, у даљој будућности.

Бојазан да би асемблери могли да прескоче јаз између научног предсказања и стварности, последица је неумитног, веома брзог развоја нанотехнологије. Све је већи број нанопроизвода и оруђа потребних овој новој технологији. Хиљаде предузећа и многи универзитети у САД, Европи и Јапану сваке године троше милијарде евра на нанотехнолошка истраживања (нажалост, и овде су војске најбоље платише). Изградња истраживачких лабораторија и предузећа врло је скупа. Између осталог, морају да буду потпуно заштићени од било каквог подрхтавања тла и прашине - на нанометријској лествици зрно прашине је као планина, влас косе личи на нафтовод. Ипак, сви знају да постоји добар разлог да улажу. Јер, ако се посматра с боље стране, нанотехнологија обећава нову технолошку револуцију, можда и опште благостање.

Па шта су, у ствари, нанонаука и нанотехнологија, и да ли садашња истраживања имају икакву сличност са натегнутим сценариом „сиве љиге”? Област којом се баве сликовито описује њихов назив: „нанос” на грчом значи патуљак. У суштини, то су напредна, врхунска наука и технологије које изучавају све што се одиграва на изузетно малој лествици величина материје и покушавају из тога да извуку корист која може да буде заиста велика и општа. Колико су те величине мале тешко је и замислити. Нанометар је милијардити део метра, милионити део милиметра или величина десетак водоникових атома. Толико порасту наши нокти у једној секунди. Сматра се да се ова грана науке бави истраживањима и развојем технологије на лествици од 1 до 100 нанометара, у неким посебним случајевима и испод 1 nm. А то је лествица на којој се преплићу хемијски, физички и биолошки процеси. Још важније, на њој се одигравају и животни процеси. Молекул ДНК, широк само 2 nm, најмања је природна наномашина програмирана да гради своје копије и чува податке потребне за изградњу беланчевина.

Назив „нанотехнологија” први је употребио јапански научник Норио Танигучи 1974. године, али је за њену промоцију најзаслужнији амерички физичар Ерик Дрекслер, тада истраживач на Масачусетском институту за технологију (МИТ), који је 1986. године објавио књигу Engines of Creation. Опојно мешајући научне чињенице с фантастиком, Дрекслер је својом књигом запалио колективну машту и побудио велико занимање за наносвет. Осликао је будућност у којој сићушне машине, назване асемблери, путују кроз људски крвоток и лече разне болести делујући само на оболеле ћелије. Оне развију вештачки мозак, уклањају загађење из ваздуха и граде дословно све - зграде, мостове или васионске бродове. Али, не циглу по циглу, већ атом по атом (с данас незамисливом тачношћу). А пошто би могли и себе да умножавају, асемблери би постали радна снага која би укинула сиромаштво и глад у свету. Била би то нова индустријска револуција која би човечанству донела благостање.

У нанофантастичном свету Ерика Дрекслера вештачка ДНК има главну улогу - програмирана је да прави неорганске машине користећи „хранљиво купатило”. То је, заправо, фон Нојманова машина која узима храну из околине да би се размножавала. Ова вештачка ДНК, ако доспе у погрешне руке или постане способна да се отме људској контроли и настави властиту еволуцију, створила би „сиву љигу”, одвратну масу која би прекрила Земљу за неколико дана. На срећу, више ни Дрекслер не верује да је овакав развојни пут нанотехнологије неизбежан.

Дрекслер и Танигучи нису први научници који су сањали о најмањем, наносвету. Скоро три деценије раније, 29. децембра 1959. године, истакнути амерички физичар Ричард Фајмен одржао је у Америчком физичком друштву чувено предавање под називом: There’a plenty of room at the bottom (Постоји обиље места на дну). Фајмен је образлагао могућност да ће у будућности моћи да се рукује материјалима на лествици атома и молекула. Доказивао је да ће цела „Енциклопедија Британика” са своја 24 тома моћи да се испише на глави чиоде. Или да све што је од памтивека написала људска рука стане у коцкицу чије странице нису веће од 0,1 mm. Слова би била у дигиталном облику, а по 100 атома представљали би сваки дигитални бит информације...

То време управо је пред нама.

Али, на неки начин, нанонаука и нанотехнологије нису сасвим нове. И живи организми знају да праве материјале изузетних особина. Тако је танка паукова мрежа у ствари чвршћа и од челика и кевлара исте дебљине, а уз то има изузетну еластичност. Најсавршенија од свих машина је жива материја, она која гради ћелије. Човек учи од ње и све више схвата њене и законитости грађе материје јер жели да их мења или прави по властитој вољи. Нанотехнологије су савршен алат да би се с потребном тачношћу даловало на биолошке организме. Предвиђа се прављење нанолекара направљених по узору на вирусе. Ове сићушне машине биле би способне да препознају своју мету (на пример, ћелију рака), да јој пруже потребан лек или да јој измене генетски састав. Многи хемијски процеси одигравају се на нанолествици. Хемичари и технолози већ деценијама праве полимере, велике молекуле сачињене од јединки нановеличина.

Мање је брже и од малих ствари могу да се направе сложеније машине које упркос томе троше мање енергије од великих. Рачунарска технологија, област најзаслужнија за досадашњи развој нанотехнологије, производи сваке године све мање силицијумске чипове. Број транзистора унутар микропроцесора удвостручавао се просечно сваких 18 месеци и они су постајали све бржи и моћнији.

Микрочипови се праве литографским путем, тако што се млаз електрона или ласерска светлост пропуштају кроз маску (филмски негатив) с провидним шарама - електронским путањама будућег микрочипа. Светлост стврдњава оне делове силицијумске плоче који нису заклоњени маском, а потом се остали делови уклањају нагризањем. Међутим, ова технологија има ограничење у производњи све мањих јединица. Предвиђа се да ће границу достићи за десет до двадесет година. Зато се ужурбано траже нова решења. У њима нанотехнологија задржава главну улогу.

Мање је и боље, па рачунарска технологија није једина која подстиче брз развој нанотехнологије. Занимање је опште јер свеукупне особине материјала, које их чине погодним за најразличитије употребе, поред хемијског састава условљене су и њиховом грађом - пре свега на микро и нанолествици. Опсег величина од 100 нанометара па надоле до величине атома од око 0.2 нанометра (нарочито доњи део ове лествице), занимљив је пре свега зато што на њему материјали имају неочекиване особине. Оне су углавном много боље него када су исти материјали на уобичајеној лествици величина. То је та чињеница која нанотехнологији обећава да ће помрачити славу свих досадашњих технолошких револуција.

Два основна разлога за овакву промену у понашању материје су: велико повећање површине по јединици масе и дејство квантних појава. Када се честица смањује, расте постотак атома који се гомилају на њеној површини у односу на број атома у унутрашњости. На пример, честица од 30 nm има само 5 одсто атома на површини, док код честице од 3 nm тај проценат износи 50 одсто. Пошто се каталитички и други хемијски процеси углавном одигравају на површини, смањење величине честица доводи до повећане хемијске реактивности. Неки наноматеријали већ су се доказали као најбољи катализатори. Већина метала изграђена је од малих кристалних зрнаца. Додирне површине између њих су амортизер који успорава или зауставља ширење деформација када се на метал делује неком силом. Пошто имају веће додирне површине, наночестице имају и већу чврстину. Нанокристални никл јак је као најтврђи челик.

У наносвету и ван дер Валсове силе играју много значајнију улогу. Могу и да одмогну и да помогну. То су оне силе које се јављају између електронеутралних молекула јер се на једном њиховом крају нагомилава позитивно, а на другом негативно наелектрисање. Молекули се понашају као сићушни магнети чији се супротно наелектрисани крајеви привлаче. Зато ове силе могу да представљају сметњу за рад будућих сићушних машина. А колико ове иначе слабе силе могу да буду јаке у наносвету најбољи је пример једна животињица - гуштер геко. Стручњаци никако нису могли да објасне како се овај гуштерчић без тешкоћа и клизања креће по сасвим усправним и глатким површинама као што је прозорско стакло, све док нису открили да на доњој, додирној површини шапа има мноштво длачица нанометарске величине. Измећу њих и молекула стакла јавља се толико јака сила да гуштер може да виси држећи се само једном шапом. Можда ни „човек паук” више неће бити јунак који се може срести само у стрипу или на филмском платну, јер стручњаци из Шкотске, домовине „селотејп” траке, покушавају да направе још чудеснију - нанотраку.

Квантне појаве почињу да делују при дну ове лествице. Мењају се оптичка, магнетна и електрична својства наноматеријала јер се честице све више понашају и као таласи. Тако квантне законитости ограничавају енергије на којима могу да постоје електрони и шупљине (одсуство електрона). Пошто је енергија повезана с таласном дужином (односно бојом), то значи да оптичке особине наночестице зависе од њене величине. Честица може да се натера да упија или одбија одређене таласне дужине (боје) једноставним мењањем њене величине.

Кад је Фајмен држао своје чувено предавање, атоми нису могли да се виде помоћу постојећих оптичких микроскопа. Али ни касније, кад је направљен електронски микроскоп. Јер, светлосни микроскоп ограничен је таласном дужином видљиве светлости и може да види само предмете који су већи од њене доње границе од 380 nm. За мање величине од 380 nm оптички микроскоп је слеп. Зато је „жонглирање” атомима морало да сачека нове врсте микроскопа. Стварна благодет за нанотехнологију дошла је 1982. године открићем STM-а (scanning tunneling microscope), а потом је, 1986. године, направљен први AFM (atomic force microscope). Ови микроскопи који су искористили појаву „квантног тунеловања” могу да „опипају” површину неког материјала. Испитују је са веома мале раздаљине јако заоштреним шиљком на чијем врху се налази само један атом. На основу међудејства атома микроскопа и атома материјала, први пут у историји, макар и посредно, човек је угледао атоме. Међутим, са оваквим микроскопима могло је да се уради и нешто што је можда још значајније: да се атоми по жељи премештају с места на место. Пионирски подухват ове врсте извели су у Цириху 1990. године стручњаци МИТ-а Ајглер и Швајцер. Померајући атоме ксенона на основи од никла, исписали су лого свог предузећа (МИТ). У новије време, такође користећи један STM, истраживачи са Универзитета Висконсин у Медисону успешно су прегруписали појединачне атоме силицијума и направили прототип компјутерског система за складиштење. То је само један од многих примера како се данашња наука бори да Фајменову и Дрекслерову визију претвори у стварност.

Све технике које се данас користе за добијање наноматеријала могу да се поделе у две групе: „одозго-надоле” и „одоздо-нагоре”. Прве крећу од већег комада материјала који се потом нагриза или меље до коначног облика и нановеличине. Код друге врсте техника најситнији делови, то јест атоми и молекули, склапају се (отуда назив асемблери) док се не добије већи комад жељеног наноматеријала. Обе врсте техника развијале су се независно, а сада су се, попут копача тунела, среле на средини нанолествице. Даљи пут у освајању наносвета настављају удруженим снагама. Техника литографије спада у прву групу. Рачунарска индустрија уложила је велика средства у њен развој, тако да је производња чипова постала велика а њихова цена мала. Зато не чуди што се литографија користи и за друге намене. У развоју је индустрија за израду MEMS-ова, покретних микроелектромеханичких система (имали би зупчанике и електронапајање као и праве велике машине). За ове направе, на пример сензоре у ваздушним јастуцима аутомобила, често се каже да су нанотехнолошки производи, али оне то нису јер су недовољно мале. MEMS-ови се мере у микрометрима, што је 1000 пута крупније од нанометра и праве углавном од силицијума. Овакви уређаји могли би да се користе у сателитима који треба да су што лакши да би се смањила веома висока цена лансирања терета у орбиту. У медицини малена микроскопска влакна већ се уводе у тело ради посматрања органа за варење. Праве се још мањи микроскопи за посматрање процеса у ћелијама.

Мало помаже и да се велико боље види. Тако би изузетно густе решетке, с линијама на сваких 200 nm, могле много пута да увећају резолуцију телескопа с ћ-зрацима. Овакве решетке правиле би се новим, нарочитим видом литографије са „интерференцијом ласерског зрака”. Слично стакленој призми која белу светлост разлаже на различите боје и густа решетка разложила би ћ-зраке у спектар. Захваљујући томе, васионски телескоп MAXIM, који би требало да се лансира у следећој деценији, имао би резолуцију 300.000 пута већу од „Хабла”! Она би нам омогућила да видимо и такве васионске објекте као што су супермасивне црне рупе за које се верује да се крију у средиштима галаксија.

Силицијум је добар материјал за прављење ситних предмета, али није материјал на који рачунају наноистраживачи. Ова слава припада угљеничним наноцевима (carbon nanotubes - CNT), откривеним случајно 1991. године у Јапану. Наноцеви су слојеви угљеникових атома (графита) увијени у шупље ваљке. Имају изузетне особине. Оне су најтврђи познати материјал који далеко превазилази чврстоћу дијаманта, кевлара или челика. Од челика су јаче стотинак пута иако су шест пута лакше. Зато су главни кандидат за изградњу мостова, авиона, па чак и футуристичког свемирског лифта који би возио до васионске станице на орбити. Једина потешкоћа је што, бар до сада, у лабораторији није направљена дужа наноцев од неколико центиметара. Али, за најмање машине наноцеви су савршен материјал. Једна од тешкоћа са MEMS-овима је хабање када се окрећу хиљадама пута у секунди. Међутим, зупчаници направљени од наноцеви не би трпели никакво трење, па ни хабање, јер су у њима све угљеникове везе искоришћене (заузете). Осим тога, наноцеви постоје у два облика, електропроводном и полупроводном, што их чини погодним за готово сваки електромеханички уређај. Поред наноцеви, постоје и такозване наножице - густо и тачкасто поређане нанометарске куглице изграђене од познатих полупроводничких материјала.

Да би заслужили своје име, наноматеријали морају да имају макар једну димензију мању од 100 nm. Тако постоје једнодимензионални нанослојеви - филмови или површинске скраме чија је дебљина нанометарска, али су ширина и дужина веће. Поред наноцеви и наножица, у материјале који имају две нанодимензије сврставају се неки биополимери. Уз садејство с неорганским наноматеријалима, они би могли да имају изузетно важну употребу. Пре свега у медицини као својеврсне мини лабораторије (labs on chip), замишљене да изводе различите биолошке и генетске тестове, брзо и без нелагодности за пацијента. Све три нанодимензије имају честице настале таложењем - колоиди и такозване квантне тачке (у колоиде се, на пример, убраја фотографска емулзија, али и млеко). Квантне тачке су ситне честице изграђене од мноштва мањих честица од полупроводничких материјала. Пошто су довољно мале, подлежу дејству квантних појава. Откривено је да се понашају попут вештачких атома, па у неким сложеним случајевима изучавања атома могу успешно да их замене. Ови атомски дублери имају занимљиве оптичке особине. У тродимензионалне материјале спадају и нанокристални материјали, фулерени (угљеник 60) и такозвани дендримери. Откривени 1985. године, фулерени су молекули угљеника поређани у решетку облика фудбалске лопте. Чудесна нанолопта има пречник од само 1 nm, а састоји се од 60 угљеникових атома повезаних у 20 шестоугаоника и 12 петоугаоника. Дендримери су рачвасти полимери (налик дрвећу) који су настали спајањем мањих нанојединица. Њима се такође предвиђа улога сићушних робота лекара. Могли би да буду и чистачи загађене природне околине.

Апокалиптичка опасност од свемоћних асемблера није нешто што може да запрети у догледној будућности. Али, нанотехнологија можда ипак доноси сасвим реалну претњу очувању здравља и природне околине. Кроз целу еволуцију човек је био изложен дејству ситних честица којима обилује природа, аерозагађењу и разним микроорганизмима. Неке од тих честица и микроорганизама имају доказано штетно дејство. На пример, честице кварца и влакна азбеста могу да изазову озбиљне плућне болести укључујући и рак. Утврђено је да су кварц и азбест опасни јер су толико мали да могу дубоко да продру у плућа, али имају такву дужину да потом не могу да се избаце. Отпорни су на разлагање у организму и могу да изазову оксидационе промене на ткивима сличне слободним радикалима. Битна је и њихова количина и колико дуго је организам био изложен њиховом дејству. То су општа правила за процену штетности ситних честица. Угљеничне и друге наноцеви имају сличне физичке особине, па постоји могућност нежељених последица. Ипак, тешко је замислити случај када би могле слободне и у значајнијој количини да се нађу у природној околини. Могућа опасност ограничена је на производне објекте. Неколико врста наночестица тренутно се користи у козметици и као заштита од штетног дејства сунца. Постоји бојазан да би овако ситне честице могле да продру кроз кожу, поготово ако је она већ оштећена (опекотином, екцемом). Ипак, засад су само додатак основном козметичком препарату и још није забележено њихово штетно дејство. Најсигурније би било да се у свим производима наночестице вежу за неки крупнији састојак. Требало би затим утврдити колики је животни век оваквих производа и испитати да ли прети опасност од загађења природне околине, слична оној коју је донела ера неразградивих пластичних маса. У рудницима, житним силосима и на неким другим местима постоји стална опасност од експлозије облака прашине запаљиве супстанце. Стручњаци се прибојавају да ће оне наночестице које могу да горе бити још подложније експлодирању услед њихове веће површине и реактивности.