Óriási lépések a nanovilágban

Dátum: 2007. február 09. 00:00:00.
Forrás : Origo

Új típusú, nagyon érzékeny, nanoméretű biológiai szenzort alkottak az amerikai Yale Egyetem kutatói, mellyel élő sejtek immunreakcióját, T-limfociták megjelenését érzékelték mindössze 10 másodpercen belül. Az újdonság a szenzor gyorsaságában és előállítási módjában rejlik, ráadásul az új eszköz könnyen bekapcsolható a jelfeldolgozó információs rendszerekbe. Összeállításunkban beszámolunk nanokerekek megforgatásáról és a nanotechnológia lehetséges káros hatásairól.

A milliméter milliomod részének mérettartományába eső nanoeszközök egyik legígéretesebb alkalmazási területe a biotechnológia. Nanodrótokat már korábban is sikeresen alkalmaztak bioszenzorokban. A félvezető nanodrótok nagyon érzékeny (tehát kis anyagmennyiség jelenlétét is kimutató) és szelektív (tehát csak a keresett molekulára reagáló) eszköznek bizonyultak. Nanodrótos megoldások születtek már ionok, kismolekulák, fehérjék, DNS-molekulák és vírusok kimutatására. Az eddigi szenzorok közös jellemzője azonban a bonyolult, többféle technikát nehezen ötvöző gyártástechnológia.

Az új megoldással készült szenzor nanodrótjait szigetelőanyagra felvitt ultravékony szilíciumrétegben alakították ki ún. anizotróp nedves maratással. Az anizotróp maratás azt jelenti, hogy a marófolyadék (ez esetben tetrametil-ammónium-hidroxid) a szilíciumkristály egyik kristálytani síkjában más sebességgel már, mint a többiben (a marás sebességében 100-szoros az eltérés). Ezzel az eljárással trapéz keresztmetszetű nanodrótokat sikerült kialakítaniuk. Más módszerekkel sűrűbb nanodrót elrendezést lehet létrehozni, de biológiai szenzorok céljára nem optimális a túl sűrű elrendezés.

Az új megoldással készült szenzor legfőbb erénye, hogy összeilleszthető az ún. fém-oxid térvezérelt tranzisztorok gyártástechnológiájával, ezért könnyen bekapcsolható a jelfeldolgozó információs rendszerbe. A félvezető nanodrót hidrogénionokra érzékeny: a nanodrót felszínének oxidrétege protonokat vesz fel vagy ad le a közeg kémhatásától, pH-jától függően. A nanodrót most egy tranzisztor kapuelektródája, vagyis szabályozza a tranzisztoron átfolyó áramot. A nanodrót állapotának megváltozása tehát a tranzisztorban jelentkezik és onnan már könnyen továbbítható az adatfeldolgozó rendszerbe.

A kutatók korábban már bevált módszerrel a sejtek T-limfocitáit (az immunsejtek egy típusa) aktiválták, ezzel tesztelték az új szenzort. A T-sejtek megjelenése sav felszabadulásával jár együtt, erre reagált a nanodrót és csökkentette a tranzisztor áramát.

A reakció nagyon gyors volt, 10 másodperc elteltével már jelzett a szenzor. Mint említettük, a nanoszenzorokat bizonyos makromolekulák (pl. DNS) közvetlen kimutatására már alkalmazzák, amihez fluoreszcens festékanyagot vagy radioaktív nyomjelző izotópot adnak a rendszerhez. Az új szenzorral azonban feleslegessé válnak ezek a kimutatást bonyolító és lassító (akár órákat is igénybe vevő) eljárások.

Néhány anyaggal már sikeres próbát végeztek: kimérték, milyen anyagkoncentrációk kimutatására képes a szenzor. Az alkalmazási lehetőségek felkutatása folytatódik.

Megforgatták a világ legkisebb kerekét

Először sikerült megfigyeléssel igazolni egy nanokerék megpördülését - közölték német és francia kutatók a Nature Nanotechnology c. folyóirat februári számában megjelenő, előzetesen online közzétett tanulmányukban.

Ha nano-, akkor tehát a kerék mérete a méter milliárdod részének mérettartományba esik, vagyis a megforgatásához különleges eszközre volt szükség. Ez a pásztázó alagútmikroszkóp. Természetesen a jelenséget nem közvetlenül észlelték, műszeres mérések igazolták az elfordulást.

A pásztázó alagútmikroszkóp lelke egy rendkívül hegyes csúcs, amelyet a leképzendő felület felett mozgatnak. Egy elektromos szonda a műszer csúcsa és a felület közt folyó gyenge elektromos áramot érzékeli, az áram változásából rajzolódik ki a felület képe (az eszköz működése a kvantummechanikai alagútjelenségen alapszik). A pásztázó elektronmikroszkóppal kb. 0,2 nanométeres felbontással feltérképezhető a felületek atomszerkezete. A tű hegye és a felületi atomok közti kölcsönhatást kihasználva a berendezés egyes atomok mozgatására, áthelyezésére, kémiai reakciók megindítására, atomok és molekulák elektronállapotának megváltoztatására is alkalmazható.

Sík felületen már többféle atomot mozgattak, egyik helyről a másikra tolták át azokat. Az Ohio Egyetemen nemrég durva felületen is mozgattak atomokat, tehát a mozgatás már három dimenzióban zajlott. Az egyetem kutatói a Physical Review Letters c. szaklapban ezüstatomok manipulálását írták le. A pásztázó elektronmikroszkóp tűjének a hegyét ezüsttel vonták be, majd ezüstatomokat raktak halomba egy ezüstfelületen. A mikroszkóppal háromdimenziós felvételt készítettek a kis ezüstkupacról, és kiválasztották azt a pontot, ahonnan leemelhetőnek tűnt egy atom. Ezután a tűvel megközelítették, de nem érintették meg a kiszemelt atomot. Amikor már a nanométer tizedénél is közelebb volt a tű hegye az atomhoz, akkor ez az atom levált a halomról, és engedelmesen követte a tű mozgását, ahogy az a halomtól a sima felületre vezette.

A tapasztalatok szerint a tű hegye és a célba vett atom közti távolságtól függően háromféle kölcsönhatás alakul ki: nagyobb távolságnál vonzó elektrosztatikus erők, közepes távolságnál vonzó kémiai erők, a legkisebb távolságnál viszont már taszító erők lépnek fel. A kölcsönhatás részleteit a berlini Freie Universität kutatói tárták fel L. Grill vezetésével.

A berlini egyetemen egy négylábú molekulát alkottak meg, majd a molekula törzséhez csatlakozó lábakat pásztázó alagútmikroszkóppal mozgatták (alsó ábra). A lábakat hol párhuzamos, hol keresztezett állásba hozták. A mozgatás nem tett kárt sem a molekulában, sem a tűhegyben, mert csak vonzó erőket vetettek be. A molekula nagyon pontosan reagált a hatásokra, a tervezett lépéseket 99%-nál is sikeresebb arányban hajtották végre.

A "kerekekkel" bíró molekulát (balra) Toulouse-ban, az anyagtudományi kutatóközpontban szintetizálták. A tengely hossza 0,6 nanométer, mindössze 4 szénatomból áll, ehhez csatlakoznak a szénatomokat is tartalmazó, 0,7 nanométer átmérőjű kerekek. Az intézet vegyészei évek óta foglalkoznak kerékkel bíró molekuláris gépezetek létrehozásával. 1998-ban már volt lapos molekuláris kerekük, amely összevissza mozgott a felületen. 2003-ban talicskát építettek egyetlen molekulából. A berliniekkel együtt végzett kísérletben a mozgatást ismét egy pásztázó alagútmikroszkóp egyetlen atomban (!) végződő tűhegyével érték el. A molekula kerékrésze csak akkor pördült meg, ha a tengelyre merőlegesen fejtettek ki erőt, az oldalirányú erőhatásokra az egész molekula elugrott a helyéről a rézfelületen. A kutatók elismerik, hogy nem ők csináltak először nanoméretű kereket, de ők tudták elsőként egyértelműen igazolni, hogy a tengelyből és kerekekből álló molekula kerekei megforgathatók.

Az eredmény jelentősége, hogy a nanoszerkezetek, molekuláris gépezetek építői egy újabb építőelemmel számolhatnak összetettebb rendszerek tervezésénél.

A nanotechnológia hatása egészségünkre és a környezetre

Az előbbi két eredmény is szemlélteti, milyen óriási a fejlődés a nanotechnológia területén, amely szép lassan a laboratóriumokból kikerül a gyárakba. Egy brit felmérés szerint már 231 olyan termék kapható, amelynek a gyártásánál szerepet kapott a nanotechnológia, vagyis ezekben a termékekben nanoméretű anyagszemcsék vannak. A nanotechnológia diadalmas térhódítása évekig töretlen volt, nemrég azonban megjelentek az első aggódó vélemények: óvatosan kell bánni a nanotechnológiai alkalmazásokkal, mert esetleg betegségeket, környezetkárosodást okozhatnak. A kockázatokat alapos vizsgálatokkal tisztázni kell.

Egy szakértői csoport tavaly év végén a Nature hasábjain foglalta össze az általuk legfontosabbnak ítélt teendőket. A következő 3-10 évben ki kell dolgozni azokat az eszközöket, amelyekkel a levegőbe és vízbe került, emberi tevékenységből származó nanoanyagok hatását értékelni lehet. 5-15 éven belül olyan módszereket kell kidolgozni és tesztelni, amelyekkel a nanoanyagok toxicitása (mérgező hatása) kiértékelhető. A következő 10 évben szülessenek meg azok a modellek, amelyekkel előre lehet jelezni a nanoanyagok környezetre és az emberi egészségre gyakorolt esetleges hatásait. Meg kell állapítani, milyen hatást gyakorolnak az egészségre és a környezetre a nanoanyagok teljes élettartamuk alatt, erre öt évet szánnak a javaslattevők. A nanoanyagok kockázatára összpontosító kutatások megszervezésére adták a legrövidebb, mindössze 12 hónapos határidőt.

A nanotechnológia alapeszközei, a labda alakú fullerén-molekulák és a nanocsövek tiszta szénből állnak. A szén ott van testünk minden szerves molekulájában, miért hát az aggodalom? A gondot a méretek okozhatják. A kvarckristály tökéletesen ártalmatlan, de a finom kvarcpor tüdőbetegséget, szilikózist okozhat. Hasonló lehet a helyzet a szénnel is. Figyelmeztető példaként gyakran az azbeszt történetét idézik: az is csodaanyagként indult, rengeteg alkalmazásra talált, mígnem kiderült, hogy károsítja a tüdőt.

A gyártmányfejlesztés során a kockázatok kutatása és megértése rendszerint kevés figyelmet kap. A hatások felmérését az is nehezíti, hogy nincs kapcsolat a nanotechnológiákat alkalmazó iparágak között, hiszen olyan egymástól távoli területekről van szó, mint például a kozmetikai ipar, a vegyipar vagy az elektronikai ipar. Az iparági szabályozások is jelentősen eltérnek egymástól.

Természetesen a kockázatelemzés nem most kezdődik. Állatkísérletek, sejtkultúrákban végzett vizsgálatok alapján már kiderült, hogy a nanoanyagok által kifejtett hatásokban több jellemzőjük játszik szerepet, pl. a méretük, felszínük nagysága, a felületi kémiai folyamatok, vízben való oldhatóságuk. Az eddigi kísérletek több esetben ellentmondó eredményekre vezettek.

A veszélyt elsősorban a levegőbe kerülő "szabad" vagy szabaddá váló nanorészecskék jelentik, ilyen részecskék elsősorban a kozmetikumokban fordulnak elő. A legtöbb termékben ugyanakkor a nanorészecskéket műanyagokba vagy folyadékokba foglalják be, így kicsi a belélegzés veszélye. Az emberi szervezetre gyakorolt hatások erősen függenek a méretektől. Eddigi vizsgálatok alapján az összekapcsolódott szén-nanocsövek a tüdőben ugyanúgy viselkedtek, mint a közönséges por. Az egyedi szálak viszont sérüléseket okoztak a tüdőben és a belekben.

A nanocsövek környezetre gyakorolt hatását sem tudjuk még megítélni. Lehet, hogy a nanocsövek segítenek más, kevésbé mozgékony szennyezők elterjesztésében, magukkal ragadják a szennyező vagy allergizáló részecskéket. Az ellenkezője is elképzelhető: a nanocsövek megkötik és ezzel semlegesítik a szennyezőket. A választ egyelőre senki sem tudja.

A szakemberek döntő többsége meg van győződve arról, hogy a fizika és a kémia más területeihez hasonlóan a nanotechnológiáknál is az előnyök vannak túlsúlyban. A kockázatokkal foglalkozó kutatások eredményeit a nagyközönség elé kell tárni. Nem lesz könnyű azonban az új tudomány hasznos eredményeit a kockázatokkal együtt úgy bemutatni, hogy kiderüljön, nem csodaszerről és nem is sorscsapásról van szó.

Jéki László

Van jó témaötleted? Írj nekünk egy vendégcikket!

Kapcsolódó olvasnivalók

A dízelmozdonyokról

A dízelmozdony olyan mozdony, amelyet belsőégésű erőgép hajt. A dízelmozdonyok erőgépe (a hajtómotor) belsőégésű hőerőgép. Általában négyütemű, ritkábban kétütemű dízelmotor. A dízelmotor sajátossága, hogy terhelhetősége és leadott teljesítménye fordulatszámfüggő, alacsony fordulaton nem terhelhető, ezért járműhajtásra közvetlenül nem használható fel.

A mesterlövész

A mesterlövész, a gyalogos katona fegyverei számára elérhető hasznos lőtávot akár többszörösen is túlteljesítő, mesterlövész puskákkal dolgozik. Két alapvető csoport különböztethető meg, a katonai mesterlövész (sniper) és a rendészeti (sharpshooter), melyek közötti technikai különbségekről később lesz szó.

A Szahara

A Szahara a Föld legnagyobb sivataga, Észak-Afrikában helyezkedik el. Területe több, mint kilencmillió négyzetkilométer, kora mintegy 2,5 millió év. A „szahara” név az arab „sivatag” szóval egyezik meg, némileg eltérő kiejtéssel. A Szahara Algéria, Csád, Egyiptom, Líbia, Mali, Mauritánia, Marokkó, Niger, Nyugat-Szahara, Szudán és Tunézia hatalmas területeit foglalja el.