Nanotechnologie jsou už kolem nás

Nakolik jsou nanotechnologie realitou, nakolik vizí a nakolik marketingovým sloganem? S jakými výrobky se lze již setkat na trhu a co můžeme očekávat v blízké budoucnosti? Kdo je v oblasti těchto výzkumů na špičce, jaká jsou rizika zavádění nanotechnologií a kde je naopak jejich přínos největší? Od stříbrných nanoponožek a opalovacích krémů se dostaneme k umělým svalovým vláknům a výzkumným projektům probíhajícím pod patronací EU. Na naše otázky odpovídá profesor Václav Bouda z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

Prof. Ing. Václav Bouda, CSc., je vedoucím katedry mechaniky a materiálů Elektrotechnické fakulty pražského ČVUT. V oblasti nanotechnologií se zabývá výzkumem elektricky vodivých plastů a možností vytvoření umělých svalových vláken - tento vynález právě prochází patentovým řízením. V. Bouda je rovněž členem řídícího výboru sekce nanotechnologií České společnosti nových materiálů a technologií, kde se zabývá otázkami výuky nanotechnologií a ve spolupráci s pracovní skupinou při Evropské komisi v Bruselu také jejich možnými riziky.

Nakolik jsou dnes nanotechnologie realitou a nakolik se podle vás jedná spíše o marketingový slogan?

Jde o to, jak si nanotechnologie definujeme. V prvním přiblížení lze říci, že nanotechnologie je prostě obor zabývající se vytvářením a zpracováním materiálu na atomární, molekulární nebo nanočásticové úrovni, tj. částic do velikosti přibližně 100 nanometrů. Ne všechny takové technologie však patří mezi opravdové nanotechnologie.

Nanotechnologie v užším slova smyslu by měly především využívat zcela nových vlastností, které vykazuje soustava těchto malých částic. Může to být například obrovský celkový povrch v jednotce objemu nebo hmotnosti (až kolem 1 000 m čtevečních/gram), vzájemné působení nanočástic, jejich vnitřní energie atd. Takovéto nanotechnologie v sobě skrývají netušenou sílu, kterou již dokáže elektronický, farmaceutický, chemický, ale třeba i kosmetický průmysl reálně využívat.

Na druhé straně zůstává skutečností, že slovo nanotechnologie je někdy bohužel chápáno jako zlatý klíček k otevírání pokladnic pro podporu výzkumných projektů nebo k vyvolání zájmu o nový výrobek. Pokud se nebudeme přidržovat výše uvedené definice, můžeme do nanotechnologií zahrnout vlastně jakoukoliv manipulaci se všemi látkami, protože při jejich zpracování nebo používání působíme také na jednotlivé atomy a molekuly. Tím by se ovšem celý pojem vyprázdnil a ztratil by obsah.

Na českém trhu jsou jedním z výrobků, označovaných za nanotechnologie, ponožky obsahující stříbrné nanočástice, které mají mít antibakteriální účinek. Koupil jste si je? Používáte jiný produkt spojený s nanotechnologiemi?

Zatím jsem si tyto ponožky nekoupil, pouze jsem si je prohlížel a obdivoval chytrou myšlenku využít tímto způsobem antibakteriální vlastnosti stříbra. O stříbru je dlouho známo, že tyto účinky má, a z toho důvodu si vážím například i stříbrných jídelních příborů. V případě stříbrných nanočástic je tento účinek znásoben jejich obrovským povrchem.

Pokud se týče jiných nanotechnologických produktů, používá je dnes již téměř každý, aniž si to ovšem obvykle uvědomuje. Do skupiny těchto výrobků patří třeba opalovací krémy s obsahem nanočástic s faktorem ochrany proti UV záření až 50. Nové typy mobilních telefonů obsahují křemíkové čipy vyráběné nanolitografií, které mají šířky elektricky vodivých cest podstatně menší, než je hranice 100 nm. Moderní léčiva mohou obsahovat nanočástice účinných látek, jejichž velký reakční povrch umožňuje snižováni dávek, omezení nežádoucích účinků, nebo dokonce cílený transport nanočástic v organismu na postižené místo. Také plastové kabely, které se používají pro vytápění elektrickým proudem, obsahují nanočástice s vysokou elektrickou vodivostí, které mění izolační plast na elektrický vodič.

Jak vypadá podpora nanotechnologií v rámci výzkumných programů EU? Jaká je vaše zkušenost s těmito programy a čím se v jejich rámci zabýváte?

Podpoře nanotechnologií věnuje Evropská unie mimořádně velkou pozornost. Je to dobře patrné například v tzv. 7. rámcovém programu podpory vědy a výzkumu, který byl zahájen na konci roku 2006. Nanotechnologie jsou v 7. rámcovém programu vedle informatiky, elektroniky, telekomunikací, medicíny, hledání nových zdrojů energie a materiálového inženýrství chápány jako jeden z hlavních oborů, který má zásadní význam pro další rozvoj evropské vědy a konkurenceschopnosti. Do roku 2012 se v rámci EU pro nanotechnologie počítá s uvolněním mimořádně velkých finančních prostředků - Evropská komise navrhla pro tuto oblast zdvojnásobení příslušného rozpočtu oproti šestému rámcovému programu. Velká podpora ze strany EU je také zaměřena na rozvoj mezinárodní spolupráce v nanotechnologiích. Česká republika je do těchto aktivit rovněž zapojena v rámci projektů NANOMAT, NENAMAT a MNT ERANET. V posledním evropském projektu, tzv. programu COST, jsme se na naší katedře zabývali výzkumem formování nanočásticových elektricky vodivých cest v plastech a možnostmi řízení jejich vodivosti elektrickým polem.

Podle vlastních zkušeností však musím bohužel říci, že obava ze složité administrativní práce, která je spojena s řešením evropských projektů, někdy od předkládání nových projektů odrazuje.

Je v oblasti nanotechnologií EU na srovnatelné úrovni s USA? A jaká je pozice ČR ve srovnání s jinými zeměmi EU?

Udělat takové srovnání je obtížné především s ohledem na skutečnost, že je třeba současně hodnotit péči o souběžný výzkum vlivu nanotechnologií na lidské zdraví, životní prostředí, bezpečnost, sociální dopady, příslušnou legislativu atd. Navíc mnohé špičkové technologie vojenského průmyslu zůstávají utajené. Za tohoto stavu je třeba prohlášení vědců či politiků EU, USA nebo Japonska a Číny o jejich dominantním postavení ve výzkumu a aplikacích nanotechnologií hodnotit vždy velmi rezervovaně.

Pokud se týče nanotechnologií v ČR, zcela jistě zaostáváme v univerzitním vzdělávání. Odborník na nanotechnologie potřebuje hlubší znalosti z mnoha různých oborů - od kvantové fyziky a chemie až po biologii, medicínu, elektroniku, materiálové inženýrství, informační technologie atd. Tyto obory se u nás zatím v potřebné šíři vyučují odděleně na různých vysokých školách. Popsaná situace může vést nejen k zaostávání našeho vědeckého výzkumu, ale i průmyslových aplikací nanotechnologií, což by se samozřejmě negativně projevilo na konkurenceschopnosti české ekonomiky.

Bude se podle rychlosti přijetí nanotechnologií tedy nějak znovu "dělit svět" na vyspělé a méně vyspělé země?

Nestejná rychlost výzkumu a zavádění aplikací nanotechnologií do praxe vede zatím bohužel k prohlubování rozdílů mezi rozvinutými a méně vyspělými zeměmi. Takovýto vývoj může vážně ohrožovat sociální soudržnost na různých úrovních, což si vědci i politici naštěstí většinou dobře uvědomují. Ve světě se organizují četné konference, které se těmito otázkami zabývají a jejich výsledky jistě působí například na rozhodování o zahraniční pomoci, preferování spolupráce v oblasti nanotechnologií mezi více a méně rozvinutými zeměmi apod.

Jaká jsou potenciální rizika nanotechnologií? Nemůže se v očích veřejnosti stát z nanotechnologií podobný strašák jako třeba z geneticky modifikovaných organismů?

Rizika nanotechnologií jsou samozřejmě reálná. Některé nanočástice mohou například nekontrolovatelně pronikat do lidského organismu, prostupovat buněčnou stěnou a jen obtížně se pak z organismu vylučovat ven. EU i nevládní organizace věnují velkou pozornost vytváření databází rizikových látek včetně nanočástic a nanomateriálů.

To ovšem není zdaleka jen záležitost nových technologií - již dávno nás takto ohrožují nanočástice obsažené v hojné míře ve výfukových plynech automobilů nebo v produktech spalování uhlí. Podle mého názoru však možnosti využití nanotechnologií v oblasti péče o životní prostředí, diagnostiky a možností zdolání dosud obtížně léčitelných chorob značně převažují nad jejich možnými negativními vlivy. Jedinou cestou, jak možná rizika minimalizovat, je podle mého názoru odpovědný výzkum a odpovědné zavádění jeho výsledků do praxe.

Přejděme teď od obecných problémů k tomu, čím se zabýváte přímo vy, tedy ke konstrukci umělých svalových vláken a jejich využití jak v technických aplikacích, tak i v nanomedicíně (svalové implantáty). Jak daleko je výzkum v tomto ohledu?

Modely funkce biologických svalů se ve světě sice postupně propracovávaly, ale přibližně od roku 1950 vycházely stále ze stejného principu – vzájemného zasouvání a vysouvání vláken dvou druhů proteinů užitím energie uvolňované štěpením molekul ATP.

V roce 1990 představil profesor Pollack na University of Washington principiálně novou teorii o vlivu tzv. fázových transformací ve vláknech proteinů. Náš model je trochu podobný Pollackovu, je také založen na fázových transformacích, ovšem jiného druhu. Jak se to zatím jeví, náš model je ve velmi dobrém souladu s chováním savčích svalů a jeho největší výhodou je, že by podle něj tedy mělo být možné vyrobit umělý sval použitelný jak v medicíně, tak i pro dynamické prvky v oblasti mikroelektroniky.

Z čeho vůbec takový umělý sval je?

Umělý sval podle našeho modelu by měl být vyroben z vláken a plochých destiček plastů nanometrických rozměrů s různou elektrickou vodivostí. V případě použití jako implantátu musejí být tyto plasty navíc samozřejmě biokompatibilní, aby nevyvolávaly ve styku se živou tkání nežádoucí reakce.

Na jaké hlavní problémy se při konstrukci umělých svalových vláken naráží?

Asi největší problém se nyní zdá být v tom, že výrobní postup musí být zřejmě založen na principech samovolného růstu struktur, což bude ještě vyžadovat další výzkum. Po dokončení příslušného patentového řízení v ČR i v zahraničí budeme v tomto výzkumu samozřejmě pokračovat a zveřejňovat více informací.

Souhlasíte obecně s tvrzením, že právě nanomedicína bude mít natolik zjevné přínosy, že umožní bezproblémové přijetí nanotechnologií ve společnosti?

Ano, biomedicína spolu s elektronikou tuto roli pravděpodobně sehraje.

Jaké další namomedicínské nebo jiné projekty vás v poslední době zaujaly?

V první řadě bych zmínil mediálně již poměrně známý výzkum technologie přípravy polymerních nanovláken na Technické univerzitě v Liberci a vývoj zařízení na výrobu těchto vláken (ve spolupráci s komerčním partnerem, společností Elmarco). Zajímavý je určitě také vývoj práškových materiálů na bázi oxidů kovů pro bioaplikace, lékařskou diagnostiku i terapii, který probíhá na Univerzitě Palackého v Olomouci.

Perspektivní je výzkum solárních článků na bázi organických látek s nanometrickou rozvětvenou strukturou v Ústavu makromolekulární chemie AV ČR v Praze. Ve stejném ústavu probíhá projekt nanobiotechnologií pro implantáty, aktivně podporující a usměrňující růst a dělení živých buněk. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se vyvíjí revoluční metoda uchovávání informací pomocí tzv. spintroniky (data jsou kódována prostřednictvím spinu, což je jakási obdoba vnitřní rotace částice).

Podrobnější přehled o těchto i dalších projektech lze najít na http://www.nanotechnologie.cz.

Pokud bychom se měli pokusit o vize do vzdálenější budoucnosti: Myslíte si, že nanotechnologie skutečně přerostou v konstrukci nějakých sebereplikujících se miniaturních strojků, jak si představovali vizionáři od 60. let? Nebo se budeme muset spokojit s aplikacemi skromnějšími?

Optimistické vize o možnostech nanotechnologií vytvářet zcela nové materiály a konstrukce s dosud nepředstavitelnou funkčností pramení z nedávných pokroků v technice manipulace s jednotlivými molekulami nebo atomy. Na obzoru se skutečně zdají být materiály, které budou v reakci na vnější podmínky schopné automatické změny tvaru i svých dalších vlastností. Optimisté očekávají nástup kvantových počítačů i výrobu molekulárních přístrojů, které budou schopny aktivně regenerovat funkci poškozených nebo nemocných orgánů lidského těla. Otázka, zda je naplnění takových vizí je reálné, zůstává samozřejmě stále otevřená. Nadějným faktem ale je, že mnohé tyto „technologie“ jsou již dávno realizovány v živé přírodě.

V budoucnosti vzdálené jen několik let budeme téměř jistě překvapeni, jaké nové materiály a konstrukce nám nanotechnologie přinesou. Jak už jsme o tom mluvili, rychlý vývoj lze očekávat zejména v oblasti elektroniky a medicíny. Uvádí se, že kdyby se automobilový průmysl dokázal rozvíjet stejně rychle jako elektronika, stály by dnes automobily 100 Kč, pohybovaly by se nadzvukovou rychlostí a vážily 1 kg.