Interesantni izumi

Naučnici neprestano otkrivaju nove tehnologije i implementiraju ih u uređaje koji obećavaju revoluciju na brojnim poljima

Nauka ponekad podseća na zidanje solitera rešavanjem zagonetki. Na sledeći sprat možete samo ako imate dovoljno stepenica čija izgradnja je duga i mukotrpna. Dobra stvar u ovom napornom procesu je to što se neprestano pojavljuju novi radnici željni da pomognu ili da naprave još jedno stepenište na svoj način, a kada se sledeći sprat dosegne, rad svima koji su se do tada mučili postaje mnogo lakši. Naravno, tada počinje novi mukotrpni ciklus za dosezanje sledećeg sprata, ali sada su svi naoružani novim tehnikama i idejama, a kao što rekosmo‚ novi radnici neprestano pristižu.

Računari

Svima nama koji koristimo kompjutere najbitniji je komfor pri radu. To znači brže, efikasnije, manje, lakše, sa sve baterijom koja traje mnogo duže. Oružje kojim mogu istovremeno da se napadnu sve ove stavke je pravljenje električnih kola koje troše još manje energije. Na Univerzitetu Kornel u državi Njujork rade na razvoju memorijskih čipova kojima za rad nije potrebna električna struja, već samo elektromagnetno polje. Srž njihovog projekta su multiferoični materijali, oni koji imaju više nego jedan primarni feroički parametar uređenja. Među potencijalnim kandidatima najviše obećava bizmut-ferit (BiFeO³), sintetički materijal koji je na sobnoj temperaturi usled svoje feroelektričnosti prirodno polarizovan, a zbog antiferomagnetičnosti ima svoje stalno magnetno polje. U praksi to znači da ovaj materijal zadržava svoj polaritet nakon što se energija potroši za njegovo menjanje. Memorija zasnovana na bizmut-feritu bila bi preko deset puta energetski efikasnija od bilo čega što se trenutno koristi. Problem je u tome što konvencionalni memorijski modul zasnovan na ovoj tehnologiji nećemo videti nekoliko godina jer je ovaj tim naučnika tek napravio jedno ovakvo kolo. Sada sledi minijaturizacija i osmišljavanje procesa za štampanje nekoliko miliona tranzistora i kondenzatora od bizmut-ferita u memorijski mikročip koji će da postane sastavni deo energetski efikasnijih elektronskih uređaja.

Energetski problem može da se reši i sa druge strane – konstantnim napajanjem, a najbolji univerzalni izvor energije je Sunce. Rešenje bi mogle da budu solarne nano-ćelije koje bi bile deo svakog uređaja ili možda svuda oko nas u vidu premaza na prozorima i zidovima, ili pak sastavni deo odeće koja bi mogla da puni svu elektroniku koju nosimo sa sobom. Problem je, naravno, ponovo cena. Solarne nano-ćelije koriste rutenijum, ekstremno redak metal sličan platini po svojstvima, a i po ceni. Istraživači sa londonskog Univerziteta Queen Mary otkrili su interesantnu alternativu u vidu manje efikasnih, ali višestruko jeftinijih, solarnih nano-ćelija koje se prave od hitina i hitozana. Ovo su organski polimeri koji se nalaze u oklopima zglavkara – rakova i insekata. Moguće da su ljušture škampa i jastoga upravo postale skupocenije od njihovog mesa.

Nestrpljivost je glavna karakteristika modernog čoveka, on želi svoje podatke odmah, a za to je potreban još brži prenos podataka. To je još jedna oblast gde mogu da pomognu novi materijali, naravno ako se pametno koriste. Na ovom polju, grafen je velika zvezda i nosilac univerzalne etikete „supermaterijal budućnosti”. Superbrza optička kola oslanjaju se na fotodetektore veličine nekoliko nanometara. Najefikasniji fotodetektori koriste germanijum, ali se on teško spaja sa silicijumskim kolima. Neko vreme se činilo da bi grafen mogao da bude alternativa, ali je njegova efikasnost bila osetno manja. Naučnici sa Univerziteta Minesote našli su rešenje za obe navedene prepreke. Kada neko pomene fosfor, prve asocijacije su šibice i pirotehnika. Ipak najstabilniji alotrop ovog elementa, kristalni crni fosfor, efikasan je kao germanijum, a lako se vezuje za silicijumski medijum i može da se koristi zajedno sa grafenom radi stabilizacije. Brži internete – dođi što pre!

Bezbednost podataka jedna je od ključnih stavki za svakog korisnika, a kvantna enkripcija obezbeđuje apsolutno siguran transfer podataka – pod uslovom da ne morate da ih šaljete na uređaj od kog ste udaljeni više od 100 km. Stanja kvantnog spina atoma su veoma nestabilna i kontrola nad njima se gubi za nekoliko milisekundi tako da bi komunikaciona mreža za ovakve transmisije zahtevala specijalne pojačivače na svakih 100 km gde bi se podatak ponovo zapisao pa tek onda poslao dalje. Rešenje nude istraživači sa Nacionalnog Univerziteta Australije i Univerziteta Otagoa sa Novog Zelanda koji su napravili prototip „kvantnog hard-diska”. Ovaj uređaj zapisuje podatke tako što laserom menja spin atoma europijuma koji su ugrađeni u kristal itrijum ortosilikata. Iako naučnici nisu uspeli da zapišu pun qbit (kvantni bit) podataka, pošlo im je za rukom da održe stanje kvantnog spina neverovatnih šest sati. Naravno, i ova tehnologija za sada ima brojna ograničenja – ovaj eksperiment je izveden na 2 Kelvina (-271 °C) u kombinovanom polju za magnetnu stabilizaciju snage 1 Tesla.

Medicina

Pored svih problema koji okružuju svetsku industriju lekova, naučnici koji razvijaju nove medikamente suočavaju se pre svega sa tehnološkim preprekama. Veliki broj njih mogao bi da bude eliminisan zahvaljujući nekolicini nedavnih otkrića.

Jedna od očiglednih prepreka je testiranje lekova. Pre nego što neki potencijalni lek može da se testira na ljudima, potrebno je obaviti više krugova testiranja na životinjama. Sem očiglednih etičkih problema, tu je i činjenica da, ma koliko određene životinjske vrste simuliraju ljudski odgovor na lek, to nikada nije dovoljno precizno. Rešenje nude naučnici sa Univerziteta Berkli u Kaliforniji koji su rešili da iskoriste tehnologiju pravljenja kompjuterskih čipova za stvaranje inovativnog uređaja pomoću kog lek može da se testira na ljudskom tkivu. Na pločicu presvučenu silicijumom štampaju se električna kola mnogo jednostavnija od onih u čipovima, ali njihova namena nije da obavljaju kompleksno računanje, već da prenose električne signale na ljudsko tkivo. Na ovakve pločice postavlja se tkivo srčanog mišića uzgojeno iz matičnih ćelija. Na taj način, dobijen je mali i zatvoren sistem na kom direktno može da se proučava delovanje lekova na mišić ljudskog srca. Naučnici su ubeđeni da uz dovoljan stepen evolucije ovog sistema mogu da se naprave veći trodimenzionalni modeli organa za testiranje lekova koji će još više pomoći da razvoj novih lekovitih sredstava bude i brži i jeftiniji.

Veliki skok unapred desio se i na razvoju antibiotika. Od njihovog otkrića krajem dvadesetih godina prošlog veka do danas, antibiotici su postali sastavni deo terapije ljudi i životinja, ali njihova neprestana upotreba dovodi do razvoja bakterija koje su otporne na ove lekove i opasnosti da će neke bolesti prestati da budu izlečive. Situaciju dodatno otežava činjenica da novi antibiotik nije otkriven već skoro tri decenije – sve do danas. Razlog zašto je teško napraviti novi antibiotik tehničke je prirode. Bakterije se nalaze svuda oko nas, pre svega u tlu i, zaista, većina antibiotika otkrivena je uzgajanjem kultura bakterija iz uzoraka tla. Problem je u tome što je do sada samo oko 1 procenat bakterija iz tla mogao da se uzgaja u laboratorijskim uslovima kako bi mogle da se testiraju na to da li neke od njih proizvode supstance koje mogu da imaju potencijalno antibakterijsko dejstvo na uzročnike poznatih bolesti. Istraživači sa Univerziteta Northeastern iz Bostona napravili su mali uređaj koji može da reši ovaj problem. Naprava po imenu iChip čak ne koristi elektroniku, mada je njen prototip razvijen uz pomoć 3D štampača. Umesto zasejavanja uzoraka tla na velike hranjive podloge u Petrijevim šoljama, koje se tradicionalno koriste u laboratorijama, bakterije mogu da se zaseju na iChip, pločicu sa mnogo malih otvora i polupropusnim membranama, koji omogućuje nesmetani rast bakterija koje inače ne bi mogle da zažive u laboratoriji. Pomoću iChipa je tokom proteklih pola godine izolovano više od 50.000 novih bakterijskih sojeva i 25 novih antibiotika. Jedan od njih, Teixobactin, upravo je efikasan protiv gram-pozitivnih bakterija kao što je zloglasna bolnička bakterija MRSA (stafilokokus aureus rezistentan na meticilin).

Ponekad tehnološka rešenja za neke probleme već postoje, ali njihova previsoka cena sprečava veliki broj potencijalnih korisnika da ih nabave. Takav je slučaj sa kohlearnim implantima, malim uređajima koji vraćaju sluh osobama sa potpunim odsustvom ili teškim oštećenjem sluha. Cena ovih uređaja, operacije i naknadne obuke korisnika iznosi oko 60.000 dolara (u američkom zdravstvenom sistemu ponekad čak i više od 120 hiljada). U potrazi za pristupačnijim rešenjem, naučnici za Državnog Univerziteta Kolorada došli su na ideju da iskoriste – jezik. Njihov sistem koristi Bluetooth bubice u ušima koje prosleđuju informacije o zvuku na elektrode prislonjene uz jezik korisnika. Prototip je još uvek kabasti uređaj pred kojim je dosta minijaturizacije. Ipak, tim iza ovog projekta ubeđen je da će finalna verzija ovog aparata pomoći velikom broju ljudi jer njegova cena, čak i uz obuku i individualnu kalibraciju na jezik korisnika, ne bi trebalo da prelazi 3000 dolara, a najbitnije – osoba ne mora na operaciju.

Najsitnija štampa

3D štampači su prilično doprineli tehnološkoj ekspanziji koja se dešava proteklih nekoliko godina jer je brzom proizvodnjom probnih modela i prototipa otklonjena velika kočnica u naučnom radu. Dr Martin Burk sa Univerziteta u Ilinoisu u Urbana-Šampejnu uveren je da je razvio sledeće pomagalo koje će višestruko ubrzati rad istraživačkih timova širom sveta. Dr Burk je svoj uređaj nazvao jednostavno – „Mašina”. Jednostavno rečeno, Mašina je 3D štampač za molekule. Malo kompleksnije – u pitanju je automatizovani sintetizator malih organskih molekula koji koristi oko 200 osnovnih jedinjenja kao polazne osnove, a zatim ih spaja kontrolisanim redosledom reakcija u tačno ono što korisnik želi. Hemijska sinteza specifičnih supstanci upravo je ono na šta naučnici često troše najviše vremena. Sa Mašinom, njihov rad može da bude usmeren na same eksperimente i razvoj ideja dok ovaj uređaj obavlja svo neophodno „fizikalisanje” („hemikalisanje”?).

Očigledna sfera primene za Mašinu je medicina – novi lekovi, olakšano testiranje, možda čak i jednostavnija proizvodnja nekih veoma skupih supstanci. Sa druge strane su tehničke discipline. To je možda manje očigledno, ali hemijska sinteza je ključni deo svake proizvodnje, bilo da se finalni proizvod ugrađuje u čoveka ili smartfon. Tako Mašina može višestruko da ubrza razvoj i stvaranje novih materijala neophodnih za unapređenje elektronike i optike.

• • •

Najbitnija stvar kod svakog otkrića je da je ono istovremeno i cilj i polazna tačka za novo istraživanje, novi alat pomoću koga će nego drugi da napravi nešto o čemu do nedavno nismo ni razmišljali. Privremene kočnice napretka možda mogu da budu vremenske i ekonomske prirode, ali najvažnije je da ljudski inovativni duh nema dugme za pauzu... i da stalno dolaze novi radnici koji grade spratove u soliteru nauke.

Dragan KOSOVAC