Ant mokslo revoliucijos slenksčio: kaip mikro- ir nanotechnologijos pakeis pasaulį?

Nanojutikliai ir nanodaiktų internetas, naujos kartos elementai, 2D medžiagos, lustiniai bioorganai, perovskitiniai saulės elementai – tik kelios iš viso sąrašo technologijų, kurios artimiausiais metais turės milžinišką poveikį. Proveržis šių technologijų srityje padeda susidoroti su šių dienų iššūkiais: nuo elementų, galinčių užtikrinti elektrą visam kaimui, iki mikroschemų, kurios gali pakeisti žmogaus organus.

Šis sąrašas kasmet pildosi vis naujomis inovacijomis, kurios gerina gyvenimo kokybę, keičia pramonę, saugo mūsų planetą. Ką pasauliui atneša ši slenkanti technologijų revoliucija?

Nanodaiktų internetas: plečia suvokimo ribas

Viena iš technologijų, sparčiu žingsniu šuoliuojanti tolyn – daiktų internetas. Apie naujus daiktų interneto įrenginius pranešama kasdien, o 2020-aisiais jų bus daugiau nei 30 bilijonų, prognozuoja Pasaulio ekonomikos forumas (PEF).

„Įsivaizduokite namą, kuris atrakina duris atpažinęs savininką, grįžtantį iš darbo namo, arba širdyje implantuotą prietaisą, kuris, užfiksavęs širdies darbo trikdžius, praneša apie tai gydytojui. Ir tai tik tarpinė stotelė“, – apie inovacijas pasakojo Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) studijų programų vadovė Kristina Bočkutė.

Iš mikrojutiklių ir mikroprocesorių, suporuotų su bevielėmis antenomis ir mažais maitinimo šaltiniais, pagaminti prietaisai internetą perkelia iš kompiuterių ir mobiliųjų įrenginių į mūsų kasdienę buitį: automobilius, durų spynas, naminių gyvūnų sekimo daviklius, termostatus. Mokslininkai pradeda kurti nanometrinių matmenų jutiklius, kurie yra tokie maži, kad gali laisvai cirkuliuoti žmogaus organizme.

„Tai postūmis link nanodaiktų interneto, kuris turės lemiamos įtakos medicinos, energijos efektyvumo ir daugelio kitų sričių pažangai“, – apie naujausius pasiekimus nanojutiklių srityje pasakojo K. Bočkutė.

Nauji keliai ligų ir vaistų tyrimams

Pasak K. Bočkutės, mikro- ir nanotechnologijos abiem kojomis jau ir biologiniuose tyrimuose ir farmacijoje – svarbūs medicininiai ir vaistų tyrimai galimi tik tiriant, kaip organai veikia, kaip reaguoja į atitinkamus vaistus ar dirgiklius. Tokiems tyrimams mokslininkai dabar pasitelkia lustinius bioorganus.

„Pirmąjį lustinį organą – lustinius plaučius – amerikiečių mokslininkas Donaldas Ingberas sukūrė dar 2010 metais, o šiuo metu plaučių, kepenų, inkstų, širdies, ragenos ar kaulų čiulpų lustai vis plačiau naudojami šiuolaikinėje medicinoje, farmakologiniuose ar karinės pramonės tyrimuose“, – apie lustinius bioorganus tyrimuose pasakojo KTU mokslų daktarė.

Organų lustai – tai žmogaus organų veiklą simuliuojantys mikroprietaisai, pagaminti iš lankstaus ir skaidraus polimero, su suformuotais mikrokanalais ir mažomis kameromis, užpildytomis biologiniu skysčiu. Toks mikroprietaisas savyje talpina daugybę žmogaus ląstelių tipų, užaugintų technologiškai kontroliuojamoje aplinkoje, kurios dirbtinai imituoja įvairias žmogaus organizmo būkles, pavyzdžiui, morfologijos, judėjimo, srauto, atsako į elektrinius dirgiklius ir skysčius pokytį. Analizuojant gautus duomenis, gaunami patikimi rezultatai, kurie gali būti naudojami biomedicininių reiškinių tyrimui.

Unikalus lustinių organų aspektas yra tai, kad jie veikia integruojant biologiją ir technologijas į vieną mikroįrenginį. Pavyzdžiui, lustiniuose plaučiuose yra integruotos žmogaus plaučių ląstelės, sintetinės membranos ir mikropavaros tam, kad būtų sukurtas prietaisas, kuris juda, kvėpuoja, kuriame cirkuliuoja kraujo skysčio pakaitalas, ir kuris turi funkcinį imuninį atsaką į įvairius dirgiklius. Technologinė-biologinė sąsaja sukuria „gyvas mikrosistemas“, kurios pateikia kompleksinius, aukšto lygio duomenis, paprastai gaunamus tik iš bandymų su gyvūnais. PEF duomenimis, viena svarbiausių sričių, kur lustiniai žmogaus organų modeliai sukels perversmą – tai vaistų tyrimai. Šis perversmas apims ir naujų vaistų kūrimą ar individualizuotą vaistų pacientui parinkimą. Organų lustai paspartins vaistų bandymus ir užtikrins jų patikimumą, užkirs kelią bandymams su gyvūnais. Lustai šiuos bandymus, rašo PEF, turėtų išstumti tiek dėl patikimumo, tiek dėl etinių aspektų.

Revoliucija atsinaujinančioje energetikoje

Be mikro- ir nanotechnologijų medžiagų mokslo nebūtų įmanoma ir pažanga energetikoje. Į atsinaujinančius energijos išteklius – saulę, vėją, kitus alternatyvius šaltinius, atsigręžta jau seniai, tačiau dabar mokslininkai koncentruojasi į tai, kaip, pavyzdžiui, saulės elementus padaryti efektyvesnius ir pigesnius, t.y., labiau prieinamus. Pasak K. Bočkutės, daugiausiai žadanti inovacija šiuo metu – perovskitiniai saulės elementai.

„Iš perovskitinę struktūrą turinčių junginių galima nebrangiai pagaminti efektyvius saulės elementus. Nors dar kyla nemažai klausimų, pavyzdžiui, kiek jie ilgalaikiai, kiek atsparūs oro sąlygoms, kaip juos sėkmingai komercializuoti, kad galėtų konkuruoti su jau įprastais silicio, bet tikrai aišku, kad saulės kolektorių gamyba naudojant perovskitines medžiagas yra pigesnė, draugiškesnė gamtai“, – apie perovskitinių elementų technologiją pasakojo K. Bočkutė.

Perovskitiniai saulės elementai gerokai lengvesni ir efektyvesni – 2016 metais buvo pasiektas daugiau nei 20 proc. efektyvumas ir tai, pasak mokslininkės, dar ne riba.

„Ši alternatyva galėtų išspręsti nutolusių vietovių elektros energijos problemą. Kartu su naujos kartos baterijomis perovskitiniai saulės elementai elektra galėtų aprūpinti apie 1,2 bilijonų žmonių, kurie jos iki šiol neturėjo“, – apie inovacijos svarbą pasakojo K. Bočkutė.

Naujos „stebuklingos medžiagos“

Atrastos naujos medžiagos keičia pasaulį. Pasaulis išgyveno Bronzos, Geležies amžių, šių dienų pasaulis stovi betono, nerūdijančio plieno ar silikono dėka, o ateities technologijas lems naujos kartos pažangios medžiagos.

„Kalbant apie naujos kartos medžiagas, būtina plėsti suvokimo ribas. Įsivaizduokite, atsiranda naujos pažangios medžiagos, susidedančios iš vieno atomų sluoksnio“, – apie „stebuklingas“ medžiagas pasakojo K. Bočkutė.

Dvimatės medžiagos (2-D medžiagos) yra nanomedžiagos, esančios vieno ar dviejų sluoksnių atomų storio. Plačiausiai žinoma tokia medžiaga, sudaryta iš vieno sluoksnio anglies atomų yra grafenas. Grafenas yra milijoną kartų plonesnis už popierių, beveik permatomas, ir, manoma, kad tai yra stipriausia medžiaga pasaulyje.

Apie grafeną: https://www.youtube.com//watch?v=siZDjBW6xPs

„Per pastaruosius keletą metų šių nanomedžiagų įvairovė išaugo. Kiekviena šių medžiagų pasižymi išskirtinėmis savybėmis, nes gali būti itin stiprios, lengvos, lanksčios ir puikūs šilumos bei elektros laidininkai, o įvairios 2-D medžiagos gali būti derinamos kaip „Lego“ kaladėlės, sukuriant dar daugiau naujų medžiagų“, – kalbėjo K. Bočkutė.

Pasak jos, šios medžiagos sukėlė tikrą revoliuciją daugelyje gamybos, aukštųjų technologijų sričių. Jas taikyti pradėjo skirtingose pramonės šakose, pavyzdžiui, lankstūs jutikliai integruojami į tekstilę, kuriami nauji ir tobulinami elektronikos prietaisai, medžiagų analizės ir vaizdo analizės įrenginiai, šios medžiagos randa savo pritaikymą ir baterijų ar energetikos pramonėje.

Pažangai – naujos kartos specialistai

Ši slenkanti technologijų revoliucija bei nesustojanti mokslo pažanga kuria ir naujų kompetencijų poreikį. Pasak K. Bočkutės, su XXI-ojo amžiaus technologijos iššūkiais susidoroti gali naujos kartos specialistai, turintys integruotas fizikos, chemijos, elektronikos, inžinerijos žinias, gebantys atlikti tyrimus, kurti ir taikyti medžiagas, dirbti tarpdisciplininėse ir tarptautinėse komandose.

„Šių specialistų galvose yra ateities inovacijos bei pasaulį keičiantys ir keisiantys atradimai“, – tikina KTU studijų programų vadovė.

KTU MGMF rengia medžiagų mokslo ir nanotechnologijų specialistus – fakultete vykdoma Medžiagų ir nanotechnologijų bakalauro studijų programa, o šiais metais startuoja ir nauja unikali dvikryptė bakalauro studijų anglų kalba programa „Medžiagų fizika ir nanotechnologijos“, suteikianti fizinių ir technologinių mokslų bakalauro laipsnį.

Programa buvo kurta reaguojant į šių dienų mokslo ir pramonės tendencijas Lietuvoje bei pasaulyje. Programa ruoš universalius medžiagų mokslo ir nanotechnologijų specialistus Lietuvai ir tarptautinėms rinkoms.