Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Nie wiem, kiedy ta wizja się spełni, ale widzę, że świat inżynierii zmierza w tym kierunku. A wszystko zaczęło się w 1960 roku od słów jednego z najbardziej zasłużonych i barwnych fizyków w historii nauki. Richard Feynman był znany z bardzo dużego poczucia humoru i talentów popularyzatorskich. Uwielbiał grać na bębnach bongo. W ich rytmie zdarzało mu się nawet prowadzić wykłady. Malował, pisał książki i zbierał znaczki. Ale w historii zapisał się z innego powodu. Był fizykiem teoretykiem i laureatem Nagrody Nobla. Pracownikiem najlepszych na świecie uniwersytetów. Zajmował się dość hermetyczną dziedziną, jaką jest kwantowa teoria pola i grawitacji, ale interesował się także fizyką cząstek i nadprzewodnictwem. To on jako pierwszy podał koncepcję komputera kwantowego i – w 1960 roku – zapowiedział powstanie nowej dziedziny inżynierii – nanotechnologii.

Sporo miejsca

Nanotechnologia bada i próbuje wykorzystać potencjał natury i właściwości świata bardzo małych rozmiarów i bardzo małych odległości. Co jest tam tak interesującego? – „There is plenty of room at the bottom” – powiedział w czasie pamiętnego wykładu zapowiadającego powstanie nowej dziedziny wspomniany już Richard Feynman. W tłumaczeniu na polski to zdanie znaczyłoby mniej więcej: „gdzieś tam na dole jest dużo miejsca”. Feynman zastanawiał się, jak naśladować naturę, która z atomów i cząsteczek potrafi tworzyć większe, olbrzymie, piękne struktury, takie jak chociażby białka czy cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością, i mechaniczną, i energetyczną. Innymi słowy, człowiek powinien spróbować nauczyć się naśladować przyrodę, tworzyć układy złożone, wychodząc z atomów i cząsteczek, i kontrolując ten proces, mieć jakiś wpływ na powstającą nową materię. Brzmi dumnie, ale jak to zrobić? To jest właśnie coś, co ma rozstrzygnąć nowa dziedzina. Naukowcy i inżynierowie do tego wyzwania próbują podejść na dwa sposoby. Jeden to tak zwane „bottom up”, czyli przejście od podstaw, z tego poziomu najniższego, atomowo-cząsteczkowego, do większych, zaprojektowanych struktur. Czyli od pojedynczych atomów i cząsteczek do konkretnych materiałów. Najpierw tych w skali nanometrowej, a później o tysiąc razy większej, czyli mikrometrowej.

To podejście przypomina budowanie domu z cegieł. Małe elementy łączone są w duże struktury. Atomy łączone są w cząsteczki. Na przykład takie, które w przyrodzie nie występują. Cząsteczki białek, które mogą być lekarstwem na wciąż niezwyciężone choroby, czy cząsteczki o takich właściwościach, które można będzie wykorzystać w elektronice. Drugie podejście jest dokładnie odwrotne, czyli „top down” – z góry do dołu. To jak wytwarzanie ziarenek piasku podczas mielenia większych kawałków skały albo jeszcze lepsza analogia, mielenie całych ziaren kawy na kawowy proszek. Po co? Im drobniej zmielone, tym lepiej gorąca woda wyciągnie z nich kofeinę. Z całych ziaren kofeiny nie da się wyciągnąć. Wracając do fizyki czy technologii: to drugie podejście polega na rozdrabnianiu materii i schodzeniu do niższych jej form wymiarowych, do skali nano włącznie.

Podróże do wnętrza

O nanotechnologii można bardzo dużo pisać. Choć to nowy kierunek, rozwija się bardzo dynamicznie. Trudno znaleźć dziedzinę nauki, w której nie byłaby obecna. Jednym z bardziej pasjonujących kierunków jej rozwoju jest nanomedycyna. Ta rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden to próby (coraz częściej udane) stworzenia nanocząsteczek, które będą nośnikami leków, a nawet genów. Wnikając do organizmu, będą uwalniać przenoszony materiał dokładnie w tym miejscu i dokładnie o tym czasie, jaki jest optymalny. Drugi kierunek to nanosensory i nanoroboty. Już kilka lat temu stworzono nanodetektor komórek rakowych. Do jego działania wystarczy – dosłownie – jedna kropla krwi. Krew przesączana jest przez tysiące mikroskopijnych kanalików krzemowych, w których znajdują się przeciwciała wyłapujące komórki nowotworowe. Analiza przeciwciał pozwala stwierdzić, czy w krwi znajdują się komórki rakowe, a jeżeli tak, to ile i jakie. Taka informacja nie może być pozyskana w trakcie standardowej analizy, bo komórek nowotworowych w krwi jest bardzo mało. Nanomedycyna jednak najbardziej kojarzy się z nanorobotami. Wpuszczone do ludzkiego krwiobiegu będą nie tylko monitorowały funkcje życiowe, ale także reagowały na stany kryzysowe organizmu.

Te skojarzenia – przynajmniej na razie – są nierealne. Na razie. W listopadowym numerze czasopisma naukowego „Nature Communications” opisano urządzenie wielkości kawałka główki od szpilki. Zbudowane jest jak muszla małża, z dwóch połówek połączonych w jednym punkcie (to połączenie przypomina zawias w drzwiach). Niewielkie elektromagnesy w obydwu częściach urządzenia mogą powodować otwieranie i zamykanie „muszli”. Ta w efekcie takiego ruchu może się poruszać. Prędkość tego ruchu jest oczywiście zależna od przekroju naczynia i prędkości krwi (oraz kierunku), ale już dzisiaj mówi się, że urządzenie, którego wielkość nie przekracza 0,3 mm, jest jednym z tych, które w przyszłości będą podróżowały we wnętrzu naszego ciała.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny