2009. március 11.
NANOMEDICINA
A "Nano" képző és általam látott gondjai – a különböző szakmai szóösszetételekben
Gyulai József MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Az alapkérdés a XXI. században: az energia, -előállítás, -gazdálkodás az emberi életkor nyújtása…hmmm?
• Az "írástudók" tudhatják csak a megoldást megtalálni: minden technológiát át kell gondolni, hogy – azonos feladatot kevesebb energiával, anyaggal, – zárt termelési-fogyasztási folyamatokat létrehozni. • Fény az alagút végén: a fejlett országokban az 1$ GDP megtermeléséhez szükséges energia évi 5-6%-kal csökken • Felelősségünk, hogy a fejlődő országokba ne száműzzük a „rossz” technológiákat • Az idejében való elfogadtatás: a politika, társadalom érettsége… 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Mai Credo-m: a "multidiszciplina"... • Olyasmit várok az élettudományokban, mint ami a kémiával történt 1930 táján: a fizika, matematika, elektronikus méréstechnika „kémiává” szervült • Azaz, a XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, informatikájára, mint az akkori-mai biológiára… • Falus András szívemből szólt: "A biológia most kezdődik…" • De: a paradigmaváltást én két szinten is vágyom: – nem csak a fizikai-kémiai metodikák bevitele, alkalmazása az élő rendszerekre, amely ismert, – hanem az élettelen természettudományok gondolkodásmódjának, azaz az első elvekre való visszavezetésnek a célul tűzése 2009. március 11.
NANOMEDICINA
A kémia és a „nano” • • • •
A kémikusok, főleg a kolloidkémikusok gyakran mondják, hogy ők mindig is nanotechnológiát csináltak. Ez majdnem a teljes igazság: korábban nem volt fontos, hogy molekuláris szinten meg lehessen találni a terméket a reaktorban. Ma – „valódi” nano-alkalmazásoknál – címezhetőnek kell lennie minden egyes molekulának – nagy kihívás a kémiának Én, pl. a katalízist úgy vizualizálom, hogy a katalizátor atom – a maga elektronszerkezetével, üres d-, f-héjaival létrehoz egy olyan dinamikus elektromágneses teret, amelybe ha ‘betévednek’ az atomok, ionizálódnak és vegyülnek.
2009. március 11.
NANOMEDICINA
A nanotechnológia módszerei • A pásztázó szondás módszerek mint kísérleti preparatív technika: egyes atomok rendezése – ezzel indult, de ez termelére alkalmatlan • Az önszerveződés: a természettörvények, ha tudják, eljuttatják az atomokat az egyensúlyi állapotba – amolyan "laissez-passer"– azaz "magától" épül a kívánt szerkezet
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Mérnöki gondolkodás a biológiában - kevesebb antropomorfizmus • Pl. a stressz protein • Megtalálja a sérült fehérjét, hogyan? • megméri, hogyan? • Átadja a saját testének egy részét – milyen energetika vezérli? • Tudjuk, csak atomi erők szerepelhetnek • Én ennek megértését tekintem a biológia új életének 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Vagy a megbízhatóság kérdése… • • •
• •
A mikroelektronikai eszközök mintegy 1010 művelet esetén téveszthetnek egyet – ami még redundáns szervezéssel javítható is, A gyógyszeripar megbízhatósági kritériumai kemények, de néhány ppb felesleges molekula aligha okoz gondot. A nanoelektronikai eszközök előállításában használt önszerveződő folyamatokban a képződött molekulát címzetten meg kell tudni találni… új precizitási lépcsőfok A mai nanotechnológia inkább „laborszint”, még adós az „ipari” megbízhatósággal De ez nem egyszerű:
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Paradigmaváltás a nanotudományban Mai műszaki ipar
Nanovilágban
• Pásztázó szondák, ill. önszerveződés • TQM, de hogyan? • Jó az élővilág modellje? • ‘Gyorsított evolúció'? – a mutáció a mai “majdnem” selejt? – kiválasztódás felgyorsítva? • A gyógyszer-jellegű TQM rendben • Kontrollálatlan (?) redundancia
• Terv, kísérlet • Gyártás • TQM – tolerancia, – elfogad, kidob • Mikroelektronika biztonsága • Kontrollált redundancia
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Megbizhatóság
(Swiss Fed. Labs for Matls Testing and Res.) • A nem-skálázó fizikai folyamatok – tömeg és hődiffúzió, elektromos vezetőképesség, reakciókinetika, korróziós folyamatok, stb.
• Fáradás, súrlódás, fáradás, javítási mechanizmusok mások az atomi és molekuláris léptékben. • Redundancia, a kvantumállapotok korrelációja is kvantumstatisztika- és hulláminterferencia-függő • Modellezés, kutatásigényes • Hibatűrő megoldások igénye
2009. március 11.
NANOMEDICINA
A nano… •
Hazánkban nem lett valódi kormányprogram a nanotechnológia – –
• •
• •
mindössze egy közepesen megfinanszírozott, tematikailag elég jól illeszkedő, új BAY-intézet csatlakozott a ‘nano’-t választó, jobb infrastrukturájú, de alulfinanszírozott MTA kutatóintézetekhez.
A téma talán egy századát kapta meg a világban megszokottnak Ismert a hiba: a hazai kormányzatok nem először vakok abban, hogy vannak kihagyhatatlan műszaki kultúrák – ilyen volt a hetvenes években a mikroelektronika, máig szenvedjük… ma ilyen a mikro- és nanotechnológia! Egy mérnök, akinek nincs a vérében a „tiszta labor” kultúra, aligha tud biotechnológiát is csinálni… 2009. március 11.
NANOMEDICINA
A legnagyobb infrastrukturális háttér (MFA) Nanomegmunkáló állomás, „FIB”: vág, " alakra farag", fémet, szigetelőt leválasztó CVD, 5 gáz
Szenzorika-félvezető Labor Nanocső "gyártás" 2009. március 11.
NANOMEDICINA
A mikro- és nanotechnológia szimbiózisa Micromachined Systems (MEMS) + nano
• A MEMS mikroelektronika – más területen • Párhuzamos megmunkálás: olcsó, pontos • Miniatürizálással a kezelhetőség megmarad, ha intelligenciát is belezsúfolunk - ez működik • MEMS a nanotechnológia "infrastruktúrája" • Mesterséges szaglás, látás stb. - szervetlen, ill. bio- és biomimetikus rendszerek (megbízhatóság?) • Miniatűr gépek • Orvosi alkalmazások esetén: biokompatibilitás 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Safegas projekt eredménye mára termék a Weszta-T Kft. palettáján Mikrorezsó, rajta katalizátor, elégeti a keresett molekulát és az így megnövekvő hőmérsékletből következtet a gáz fajtájára, koncentrációjára
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Taktilis, tapintás-érzékelő (Tactologic Kft.)
Az egyedi érzékelő a mikrorezsó technikájával készül 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Mikro-nano szimbiózis, itthon, ma, Fürjes P., MFA .
20nm pórus FIB – DNS átfér rajta,
200µm ――
Mikrofluidikai példa, turbina, MFA 2009. március 11.
Gyurcsányi Róbert , BME Anal. Tsz.
NANOMEDICINA
A Nanogas szén nanocsöveket használ – jelenleg fél-kvantitatív •
A szén nanocső atomi felbontású képe; szerkezeti hiba kell, hogy „érzékeljen” 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Választott ‘demo’ anyagok/oldószerek : – víz, – aceton, – etilalkohol, – kloroform, – triklóretilén
Talán egy Hungarikumot is segítünk…
Egyetlen borászat két Kékfrankos évjárata, két borászat Cabernet sauvignonja, és egy Tokaji Hárslevelű 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Grafén – az új „izgalom” •
•
Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly”
Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA http://www.nanotechnology.hu/ 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Biomimetika és gondjai •
A nano tanulni kíván a természettől. De nem egyszerű: az evolúció mindig némileg másra optimált!
•
Bioüzemanyag: a fotoszintézis „túlprocesszálja” a napenergiát – cellulózzá. –
Így a napelemmel, szélerőművel való összevetésnél a már tárolt energia (hidrogén, stb.) kinyerésével kell hasonlítani, ami még ront a bioetanol hatásfokán.
•
A pókháló vs. kevlar: egyetlen fizikai paraméterben van különbség köztük, a lassú, ill. gyors deformáció munkájában. Ettől jó az egyik légyfogásra, ill. golyóálló mellénynek a másik.
•
A van der Waals erők természetbeni szerepe.
•
A fotonikus kristályok a természeti „színekben”?
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Van der Waals erők – soxorozva • Sima felülethez tapadás – gekkó: 20N erő – szemben a 43 g saját tömeggel – ugrópók: 624 000 szőrszál a nyolc lábon elbírja a saját súlyának 170-szeresét • van der Waals-erő • (nemrég volt Nature cikk: hogyan választja el magát?)
• A nanotudomány igyekszik ellesni, megvalósítani: “spidar”… 2009. március 11.
NANOMEDICINA
A címlapon: A nagy képen egy nyitott szárnyú Morpho rhetenor lepke, alatta balra egy Albulina metallica, míg jobbra egy Cyanophrys remus lepke felső és alsó oldala látható (K. Kertész felvételei MTA-MFA. K. Kertész et al, Phys. Rev. E, 74 (2006) 021922
2009. március 11.
NANOMEDICINA
A szálakban UV-ban elnyelő pigment található, a bordázat szerepe, hogy a megfelelő hullámhosszúságú fényt J.P. Vigneron et al., Phys. Rev. E 71 (2005) 2009. március 11. NANOMEDICINA becsatolja a szálba. 011906
A forgómozgás és az evolúció E.Coli baktérium csillója 100 000 ford./perc, proton-ugrás, nanomotor
Adenotrifoszfát, ATP, átalakítása nanomotorrá (Cornell)
El tudjuk-e tanulni ezt a bottom up "gyártást"? 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Operating Manual for Spaceship Earth - Buckminster Fuller (1969)
Biosphere, Montreal, 1967
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Végső motto: "Spaceship Earth" • "One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…"
Operating Manual for Spaceship Earth - the architect Buckminster Fuller (1969) 2009. március 11.
NANOMEDICINA
Következtetések •
Reciklizálható és bottom up technológiák, az önszerveződés bűvszó – kihívás a fizikának, kémiának
•
Az energia-igény redukciója, a megújuló energiaforrások arányának nem-piaci növelése
•
Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá…
•
Társadalmi elfogadtatás: a társadalom és a politika érettsége...
2009. március 11.
NANOMEDICINA
Optimizmusom, kétségeim • Van, még ha halvány is, de esély arra, hogy 6-10 G ember is élhet a Földön • A nevelés missziója megmutatni, hogyan? • és elfogadtatni – hit és a politika • A tudomány receptje alapvető: minden technológiát újragondolni – kevesebb anyag és energia, valamint reciklizálás • Hulladék ≡ Alapanyag • A hit és a humaniórák tehetik azt a furcsa világot élvezhetővé 2009. március 11.
NANOMEDICINA
