Kilka miesięcy temu wywiązała się rozmowa między mną a pewnym dzieckiem. Mając w naturze „wciskanie”, gdzie tylko się da nauki, przekonałem się, że mała dziewczynka jest w stanie zrozumieć czym jest atom. Bo przecież, każde dziecko wie, że otacza go mieszanina gazów. Różnią się one między sobą, mają unikalne właściwości i można je rozdzielić, zbadać, sprawdzić smak, zapach i palność. Czym jest ich badanie, jak nie chemią! Dziewczynka słyszała o niej od starszego rodzeństwa lub kolegów! Widziała, jak się uczą i mówią coś pod nosem o jakimś tlenie, wodorze i azocie, a może i o innych tlenkach, kwasach i zasadach. Ta jakże ciekawa rozmowa wprowadziła mnie w małe zakłopotanie. Jak prosto jest wyjaśnić dziecku na przykładzie piłeczek czym są atomy, a na przykładzie doświadczeń ze świeczką, octem i sodą oczyszczoną, pokazać, jak zachowują się gazy. Ale jak rozmawiać z nią
o nanotechnologii?
Nanotechnologia jest terminem obejmującym projektowanie, tworzenie oraz użytkowanie materiałów mających przynajmniej jeden wymiar, którego jednostką miary jest nanometr (Kelsall R.W, Nanotechnologie, Warszawa 2008). Tyle mądrych i trudnych słów w jednym zdaniu. Jak wytłumaczyć je małemu dziecku? Najpierw wyjaśnijmy sobie, co oznaczają, skąd się wywodzą i do czego łatwo nam je przyrównać. W rezultacie historia o studencie, zmieniającym psa w małego kota, będzie miała ręce i nogi, a właściwie łapy i ogon!
Skala i wielkość – coś małego, a jednak ogromnego.
Ziarenko piasku jest kulką o średnicy dwóch milimetrów. Czy to dużo? I tu pojawia się niejednoznaczna odpowiedź – to zależy. Jeżeli poruszamy się w świecie makro, czy w dużej skali, to określając wielkość przedmiotów, planet i gwiazd w odniesieniu do wielkości Słońca, ziarenko piasku w tym postrzeganiu jest czymś bardzo małym, wręcz pomijalnym. Jakie znaczenie ma 2 milimetry przy 1 392 684-kilometrowej średnicy Słońca? Idąc tym tokiem myślenia, zestawmy średnicę naszego ziarenka piasku, o wielkości około 2 milimetrów (gdzie przedrostek mili oznacza mnożnik 10-3) i najdłuższą autostradę w Polsce o długości 672 km. Kiedy obie wartości przedstawimy w takich samych jednostkach – milimetrach, to okaże się, że autostrada A4 jest większa od ziarenka 336 milionów razy. Tak jak łatwo przejechać autostradę, tak prosto jest zrozumieć, kiedy małe ziarenko piasku stanie się gigantem. Jak wielkim? I tu zależy tylko od naszej wyobraźni. W skali mikro, niewidocznej dla oka (mnożnik 10-6) będzie tysiąc razy większe od niewidocznej dla oka bakterii gronkowca. A w skali nano? No cóż, będzie olbrzymem dwa miliony razy większym od wirusa wywołującego zwykłe przeziębienie. Przedrostek nano w języku greckim oznacza karła, a w sensie matematycznym jest to mnożnik 10-9, czyli jedna miliardowa metra lub jedna milionowa milimetra.
Wymiar – kino i nanotechnologia?
Odwiedzasz kino, wybierając głośno reklamowany film w technologii 3D. Wiemy, że nad naszymi głowami być może za chwilę przeleci samolot, który będzie tak realny, jak gdybyśmy zamiast w kinie byli na lotnisku. Czy patrząc na obraz zastanawiamy się jednak, co tak właściwie oznacza 3D? Trzy to liczba odczuć wizualnych odbieranych przez nasze oko. Widzimy obrazy, które nie tylko mają długość, wysokość, ale i głębię. Przestrzeń trójwymiarowa, potocznie nazwana 3D (bo jak wiele skrótów zaczerpnęliśmy tę nazwę z języka angielskiego tree-Dimensional), to iluzja pozwalająca nam na znalezienie się w świecie filmu, który oglądamy. Ale gdyby odebrać tylko dwa wymiary np. wysokość i szerokość? Nasz film automatycznie będzie płaski i dwuwymiarowy, czyli po prostu 2D. Ale co to ma wspólnego z nanotechnologią? Odpowiedź jest bardzo oczywista. Struktury nano mogą mieć nie tylko różne wymiary, ale mogą być również płaskie albo przestrzenne (3D).
Czy złoto i nanozłoto to to samo?
Ktoś kiedyś powiedział, że małe jest piękne, ale czy wiemy, że w sensie chemicznym zmniejszenie rozmiaru z reguły wiąże się ze zmianami właściwości fizykochemicznych pierwiastków i substancji. Nauka zna wiele przykładów materiałów, które w skali makro mają inny kolor, właściwości np. przewodnictwo elektryczne i działanie biologiczne, niż w skali nano. Świetnym przykładem jest złoto. Mamy przed sobą sztabkę złota, co z nią zrobimy? Z punktu widzenia naukowca, nie sprzedasz, ale może wykorzystasz gdzieś w elektronice, elektrotechnice czy w ostateczności zrobisz z niego biżuterię. Ale złoto to pierwiastek, który zachowuje się inaczej, kiedy badamy jego „nanowersję”, czyli nAu (n – nano, Au – symbol chemiczny złota). Wyobraźmy sobie, że ten metal, który niechętnie reaguje z innymi związkami (stąd nazwa metal szlachetny), który nie traci blasku pomimo setek lat (tę właściwość nazywamy inertnością, inaczej bezwładnością i biernością), w skali nanometrycznej zyskuje nowe oblicze. Nano-złoto świetnie sprawdzi się w czujnikach biologicznych, w reakcjach chemii organicznej (wreszcie reaguje), w medycynie, farmaceutykach i kosmetykach. nAu to jak doskonały „zabójca”, będzie zwalczać komórki nowotworowe, a nano-złoto w kremie przeciwzmarszczkowym pobudzi skórę do produkcji kolagenu. Czy złoto jest piękne? Jest, ale w skali nano piękniejsze i bardziej przydatne.
Ogon sprawy – czyli jak opowiedzieć dziecku o nanotechnologii?
Przeanalizowałem powyżej zagadnienia dotyczące nanotechnologii, ale jak o tym opowiedzieć dziecku i zainteresować je, żeby w przyszłości opowiadało rodzicom, dziadkom i swoim znajomym o tym, czym jest nanotechnologia? Zastosuję tutaj porównanie bliskie dzieciom, czyli nasz ukochany pupil – pies. Psiak ma ogon, uszy, łapy, kolor sierści, szczeka. Teraz powiedzmy dziecku, wracając do atomów, że musimy naszego pieska bardzo zmniejszyć! Oczywiście, nic mu się nie stanie, bo jesteśmy naukowcami czarodziejami, którzy takie rzeczy robią codziennie, a trudność w tym zadaniu porównujemy do posmarowania kanapki dżemem. Zmniejszamy naszego psiaka! Ile razy? Tutaj przyda się porównanie
z ziarenkiem piasku i autostradą, czyli musimy bardzo zmniejszyć, żeby wejść w skalę nano. Okazało się, że nasz pies stał się kotem – już nie szczeka, ale miauczy, ma inne łapki, ogon i wyrosły mu ostrzejsze pazurki – wiemy to stąd, bo mamy specjalne mikroskopy – magiczne machiny do podglądania świata w skali nanometrycznej. Widzimy kolejną analogię – materiały w skali makro mają odmienne właściwości do swoich „odpowiedników” w skali nano – pies stał się kotem, nie szczeka, ale miauczy. A gdyby jeszcze nasz kot stał się płaski? Słowo naukowca – nic nie ucierpiał, potem powróci do nas jako ulubiony psiak, ale wspomnijmy dziecku o wymiarach, stąd wcześniej kino i 3D.
Nie ograniczajmy się wyłącznie do podstawowych dziedzin nauki, opowiedzmy dzieciom o nanotechnologii, choćby na przykładzie psiaka zamienianego w bardzo małego kota, bo kto wie, ale może dzięki temu za kilka, kilkanaście lat usłyszymy o geniuszach nanotechnologii z naszego podwórka?
Literatura:
1. Kelsall, R. W., Hamley, I. W. & Geoghegan, M. Nanotechnologie. (Wydawnictwo Naukowe PWN, 2008).
2. Jain, P. K., El Sayed, I. H. & El-Sayed, M. A. Au nanoparticles target cancer. Nano Today 2, 18–29 (2007).
3. https://pl.wikipedia.org/wiki/Autostrada_A4_(Polska)
4. Pulit, J., Banach, M., Kowalski, Z. Właściwości nanocząsteczek miedzi, platyny, srebra, złota
i palladu, 205-206 (Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2011)
5. https://pl.science19.com/differences-between-1d-2d-3d-pictures-3603
6. https://www.crazynauka.pl/co-jest-wieksze-gwiazdy-planety/
7. https://www.indiamart.com/proddetail/gold-nanoparticles-8702961262.html
8. https://www.canva.com/