Wat is nanotechnologie &  hoe werkt nanotechnologie?

Nanotechnologie is niet nieuw. Al jaren wordt gesproken over technologie ter grootte van minuscule omvang. De mogelijkheden zijn gigantisch. Volgens nanobioloog Cees Dekker in het artikel in de Volkskrant is het vergelijkbaar met de ideeën over het internet in 1948.

Nederlandse wetenschappers spelen een niet onbelangrijke rol hierin. Zo won Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen in 2016 de Nobelprijs voor zijn werk in nanotechnologie. Hij maakte een soort van auto op nano niveau. Of beter gezegd: een langwerpig molecuul met aan de uiteinden 4 wielen. Die wielen gingen draaien onder invloed van licht.

Cees Dekker: Nanotechnologie is nu zo ver als internet in 1948.

De mogelijkheden van nanotechnologie strelen de fantasie van wetenschappers al jaren. De beroemde natuurkundige Richard Feynman vertelde dit in een lezing in 1959. Volgens hem moet het mogelijk zijn om moleculen mechanisch met elkaar te laten samenwerken, in plaats van met de hulp van scheikundige atoomverbindingen.

Waar zit nanotechnologie in?

Nanotechnologie zit in verschillende dingen. Het bekendste voorbeeld is het gebruik van nanotechnologie in het menselijk lichaam. Zo zijn er onderzoekers die een kleine robots ontwikkelen voor het menselijk lichaam [link onderin]. Die robots kunnen dan continu allerlei metingen doen in het lichaam.

Of een robot kan een waterdruppel in, zoals de foto boven, om die te onderzoeken en te analyseren. Zoals in de Netflix serie Cosmos, een serie die ik zeker aanraad als je dit interessant vindt.

Waar kun je nog meer aan denken?

  1. Hersencel computers
  2. Minuscule afluisterrobots

#1 Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en Stanford hebben kunstmatige synapsen ontwikkeld. Deze synaps lijkt op de natuurlijke synapsen, waarvan er miljarden in de hersenen van mensen zitten. Dit zijn zogenaamde hersencelcomputers.

#2 Een ander voorbeeld zijn miniatuur robots die zo licht zijn, dat ze door de lucht worden verspreid [link onderin]. Als duistere toepassing hiervan wordt gesproken over het afluisteren van mensen. Zonder dat je het merkt, omdat de robot via de lucht in je haar of op je kleding is geland.

Nanotechnologie is technologie op de schaal van grootte net boven atomen en moleculen (0,060 nm tot 0,275 nm). Dit is een miljardste van een meter.

Op medisch gebied kunnen we straks technologie op deze schaal in het lichaam brengen, zoals in onze bloedbaan of in ons haar. Daarmee kunnen we lichaamsfuncties gaan meten of dingen naar de juiste plek vervoeren, zoals specifieke eiwitten of moleculen.

In maart organiseerde ik een Biohacking Meetup over nanotechnologie en digibio. De spreker tijdens de Meetup was Federico Muffato van de Waag Society en digi.bio. Bekijk mijn interview met hem hier

Nanotechnologie toepassingen (5x)

Wat zijn toepassingen van nanotechnologie?

  1. Nier op een chip
  2. Lab op een chip
  3. Robots in je bloedbaan
  4. Lichaamscellen injecteren
  5. Chips in je hersenen

#1 Een groep onderzoekers aan de Van der Bilt University in de Verenigde Staten hebben een nier op een chip ontwikkeld [link onderin]. Deze chip is nog niet getest op mensen. Het doel van de onderzoekers om een biohybride apparaat te ontwikkelen die de functies van een nier nabootst. Denk hierbij aan het verwijderen van schadelijke producten, zout en water.

#2 Kunnen we in de toekomst complexe medische analyses van bijvoorbeeld bloed op onze smartphone doen, in plaats van in grote laboratoria, zoals nu het geval is? Dat is het principe van ‘lab on a chip’. Een van de projecten van Federico tijdens een Biologie Hackaton, was Digital Microfluidics (DMF), wat aansluit op het principe van een miniatuur laboratorium. Hoe kun je druppels vloeistoffen over een elektrisch circuit sturen?

#3 De bekende transhumanist en Google topman Ray Kurzweil heeft rond 2011 zijn visie gedeeld over nanotechnologie. Hij gelooft dat we in de toekomst miniatuur robots kunnen implanteren in onze bloedbaan. Deze robots gaan dan op zoek naar bepaalde aandoeningen of zwakke plekken in je bloedvatenstelsel of organen.

De eerste projecten in deze richting worden al gedaan. Zo hebben wetenschappers van de Universiteit van Californië in San Diego (Verenigde Staten) hele kleine robots in de vorm van vissen gemaakt [link onderin]. Dit zijn zogenaamde ‘microfish’. Deze vissen worden chemisch aangedreven en magnetisch bestuurd om zich te bewegen in vloeistoffen. De vissen zijn kleiner dan de breedte van menselijk haar.

#4 Onderzoekers van de Wake Forest Universiteit zijn bezig met de ontwikkeling van nanobuisjes. Deze buisjes zijn 500 nanometer lang, hebben een diameter van 50 nanometer en zijn gemaakt van koolstof. De buisjes kunnen dan als naalden door een celwand heen prikken. Op zoek naar een celkern die hun stof nodig heeft. De focus van de onderzoekers ligt daarbij op het aanpakken van kankercellen.

#5 Elon Musk (Tesla en Space X) gelooft in de combinatie van kunstmatige intelligentie met menselijke intelligentie. Concreet denkt hij aan het implanteren van chips op het niveau nanotechnologie in de hersenen om ons menselijk brein te ondersteunen [link onderin].

Nanotechnologie en biologie

Wat is de relatie tussen biologie en technologie? Zijn er grote verschillen? Federico, die een lezing gaf op de Biohacking Meetup over digibio, is van mening dat alle biologie technologie is. Ik heb hem eerder ontmoet op een avond over DIY biologie bij de Waag Society in Amsterdam [link onderin]. Een zelfde mening heeft Pam Silver (Harvard University) ‘Biologie is de beste nanotechnologie’.

De scheidslijn tussen biologie en technologie is niet zo strikt meer.  Neem medicijnen en supplementen. De meeste medicijnen en supplementen zijn kunstmatig. Niet dat het wordt gemaakt met olie als grondstof, maar omdat het in laboratoria wordt gemaakt door algen en bacteriën. Dat is de mix van biologie en technologie.

Pam Silver (Harvard): Biologie is de beste nanotechnologie

Is dat gek? Federico vertelde dat insuline vroeger werd gemaakt door het pancreas van een varken. Nu wordt menselijke insuline gemaakt door bacteriën. Een ander voorbeeld? Federico vertelde over bacteriën die genetisch worden gemodificeerd om kwaadaardige tumoren op te sporen en te vernietigen.

Samenvatting: biologie is de ultieme nanotechnologie.

[UPDATE] Een ander mooi voorbeeld is een project van wetenschappers van de Chinese Universiteit van Hong Kong [link onderin]. Ze hadden algen uitgerust met biocompatible magnetische stofjes op nano niveau. Met licht en een andere techniek waren de wetenschappers in staat om de algen te volgen en te sturen.

In een van de testen konden de algen hun stofjes loslaten bij geselecteerde kankercellen, terwijl ze de andere ‘gezonde’ cellen links lieten liggen. De onderzoekers zeggen dat het de toekomst van selectieve therapieën kan zijn, waarbij artsen kunnen aanwijzen welke weefsels, organen en cellen wel moeten worden geholpen en anderen niet.

Wat is digibio?

Digibio staat voor de digitalisering van biologie. Het gaat om de relatie tussen biologische databases, biologische simulaties en experimenteren. Federico: “Biologie werd gedigitaliseerd op het moment dat het mogelijk was”. Eigenlijk net als alles. Alles heeft de neiging om zich te digitaliseren op het moment dat het mogelijk was.

Een voorbeeld hiervan is het in kaart brengen van het menselijk genoom. Zodra het kon, hebben we dit gedigitaliseerd. Vroeger was dit onbetaalbaar en waren labs letterlijk vierkante meters. Nu kun je een apparaat kopen voor 2.000 euro ter grootte van een usb stick. In de toekomst doe je een DNA test bij de dokter.

De grote laboratoria van vroeger worden ook steeds meer geautomatiseerd en gerobotiseerd. Volgens Federico worden er daarom veel meer experimenten tegelijkertijd uitgevoerd. Daarmee wordt veel meer data verzameld, wat sneller leidt tot (wetenschappelijke) inzichten en innovatie.

Conclusie

De conclusie die ik voor mezelf na de meetup trok? De meest veelbelovende vorm van nanotechnologie is biologie. Met digitale en elektronische technologie gaan we steeds meer weten over biologie. Andersom gaan we ook steeds meer elektronische dingen in ons lichaam stoppen. Denk aan het continu meten van lichaamsfuncties of het opsporen van zieke en zwakke cellen.

De biologie en technologie gaan versmelten. Dat is biohacking in haar meest ultieme vorm.

Bron https://www.peterjoosten.net/nanotechnologie/

  • Wat is nanotechnologie?

    Nanotechnologie betekent ‘iets op zeer kleine schaal maken’. Deze technologie kan op verschillende gebieden worden gebruikt, zoals gezondheid en geneeskunde, informatie- en communicatietechnologie en energie en milieu. Nanotechnologie is een techniek die het mogelijk maakt te werken met deeltjes in de grootteorde van nanometers.

  • Waarom is nanotechnologie interessant?

    Bron afbeelding: Guardian nanotechnology-world

    Nanotechnologie zal waarschijnlijk op grote schaal worden gebruikt. Sommige mensen voorspellen dat we binnenkort zeer kleine computerchips of apparaatjes zullen gebruiken die beschadigde bloedvaten kunnen vinden en herstellen. Nanotechnologie kan onze energie schoner maken, ons leven langer maken, en bestaande technologieën verbeteren. En deze technologie wordt nu al gebruikt. Op dit moment zijn er al meer dan 1.000 producten met nanomaterialen

  • Wat is een nanometer?

    Bron afbeelding: nanoyou.eu

    Een nanometer is een miljardste (10 -9) van een meter, dit betekent 0,000 000 001 meter of een miljoenste van een millimeter. Met andere woorden: Een nanometer heeft dezelfde verhouding als een appel tot de Aarde.

    Nanotechnologie werkt met deeltjes in de grootteorde van nanometers, ongeveer tussen 1 en 100 nm. Dit bereik noemt men de nanoschaal.

    Bron afbeelding: nanoyou.eu

  • Wat is er bijzonder aan dingen op nanoschaal?

    Gekende materialen kunnen op nanoschaal nieuwe eigenschappen vertonen. Bijvoorbeeld, een vel aluminiumfolie is een handige manier om uw broodjes vers te houden. Maar als u hetzelfde aluminium neemt en in kleinere deeltjes onderverdeelt, tot wanneer deze heel, heel klein zijn (op nanoschaal) dan gebeurt er iets vreemds – de deeltjes worden uiterst reactief. Zelfs explosief! Dit maakt deze aluminium nanodeeltjes zeer geschikt voor raketbrandstof, maar waarschijnlijk niet iets wat u in de buurt van uw lunch wilt!

  • Natural Nanomaterials

    Bron afbeelding: nano.ort.org.il

    Er zijn verschillende levende wezens die gebruik maken van verschijnselen die van structuren op nanoschaal afhankelijk zijn. Een gekko die op het plafond loopt, bladeren die water afstoten, de felle kleuren van vlinders, en sterke en flexibele materialen zoals spinnenwebben gebruiken allemaal natuurlijke nanotechnologie.

    Naast de nanodeeltjes die door levende wezens worden geproduceerd, bestaan er nanodeeltjes die door natuurlijke processen zoals erosie en vulkaanuitbarstingen worden geproduceerd. Sommige chemische reacties, met name verbranding, produceren ook nanodeeltjes.

    In een aantal consumptieproducten worden al sommige vormen van nanodeeltjes gebruikt. Bijvoorbeeld het mineraal titaandioxide – als witmaker in tandpasta en kleurstof – bevat een fractie van nanodeeltjes. Deze werden niet opzettelijk toegevoegd, maar behoren tot de normale samenstelling van het mineraal, zoals verschillende zandkorrelgroottes.

  • Is nanotechnologie iets nieuws?

    Bron afbeelding: Guardian nanotechnology world

    Hoewel wetenschappers al jaren materie op nanoschaal onderzoeken – binnen de natuur- en scheikunde – heeft het tot de jaren 80 geduurd – uitvinding van een nieuwe generatie microscopen door IBM Zwitserland – voordat atomen en moleculen konden worden gevisualiseerd en gemanipuleerd. Dit opende de deur naar het systematisch onderzoek van nanomaterialen en het besef dat hun uitzonderlijke eigenschappen kunnen worden gebruikt om innovatieve materialen en apparaten te bouwen. Vaak worden de natuurlijke nanomaterialen als inspiratiebron gebruikt om innovatieve materialen te maken! Wetenschappers hebben niet het gevoel dat nanowetenschap een revolutie is, eerder een evolutie van de traditionele wetenschappelijke disciplines, maar nanotechnologie kan wel revolutionaire gevolgen voor onze samenleving hebben, op het vlak van toepassingen of hulpmiddelen.

  • Hoe kan nanotechnologie ons leven veranderen?

    De afgelopen decennia werd ons leven al drastisch veranderd door het gebruik van elektronische apparaten. Denk maar eens aan de evolutie van mobiele telefoons in de afgelopen 20 jaar. Nanotechnologie heeft een belangrijke rol gespeeld bij het steeds kleiner, efficiënter en multifunctioneel maken van deze apparaten. In de toekomst kunnen onze levens door verschillende technologische innovaties worden veranderd, zoals:

    • Circulerende medicijnen die extern kunnen worden geactiveerd en bediend, deze kunnen gegevens verzamelen en naar de dokter verzenden om de behandeling aan te passen (theragnose)
    • Geneesmiddeldragers op nanogrootte die kankercellen bestrijden
    • “Tatoeages” die het zout- en andere metabolietniveaus meten en atleten of diabetici waarschuwen
    • Schoenen of kleding met sensoren die tijdens het sporten gegevens verzamelen.
    • Geïntegreerde energieverzamelende systemen (in textiel, schoenen, enz.) die zonne- en mechanische energie verzamelen om elektronische apparaten op te laden.
    • Flexibele en transparante zonnepanelen die in ramen, tegels, enz. worden geïntegreerd en die over een hoge zonne-energie conversie-efficiëntie beschikken.
    • Oppervlakken en textiel die stikstofoxiden en andere smog-gassen uit de stedelijke lucht verwijderen.
    • Intelligente verpakking voor voedingsmiddelen die sensoren bevat om bederf, verontreiniging te kunnen opsporen, en beschikt over een traceer-/ communicatiesysteem om de producent en retailer te waarschuwen.

  • Zijn er gezondheidsrisico’s verbonden aan het gebruik van nanotechnologie?

    Elke nieuwe technologie kan gezondheidsrisico’s inhouden. Denk bijvoorbeeld aan mobiele technologie: de gezondheidsrisico’s verbonden aan het gebruik van mobiele telefoons kwamen pas na jaren aan het licht, en zelfs nu begrijpen we nog niet volledig alle risico’s. Ondanks dit, gebruiken we dagelijks mobiele telefoons. De veiligheid van nanotechnologie wordt al jaren onderzocht, op vraag van verschillende burgerlijke partijen, en de National Scientific Academies die de veiligheidsrisico’s wil laten onderzoeken en vroegtijdige maatregelen verzocht zodat nanotechnologie veilig kan worden ontwikkeld. De gemeenschappelijke wens is ervoor te zorgen dat deze technologie kan evolueren, terwijl werknemers en consumenten op geen enkel moment worden blootgesteld aan risico’s.

    Welke risico’s? Nanotechnologie gebruikt materialen op nanoschaal, die zijn zeer klein, en kunnen dus mensen schaden wanneer deze door de menselijke beschermlagen gaan, zoals de huid, en schade aan het lichaam veroorzaken. Bijvoorbeeld zonnebrandmiddelen die nanomaterialen bevatten, worden onderzocht. Tot nu toe werd er geen wetenschappelijk bewijs gevonden dat de nanodeeltjes de huid doordringen. In het algemeen, tot nu toe konden we niet bewijzen dat consumentenproducten die nanomaterialen bevatten schadelijk zijn voor de consument. Echter, de wetenschap blijft de eventuele toxiciteit van materialen op nanoschaal controleren, in het bijzonder van deze producten die rechtstreeks met het lichaam in contact komen.

    Zijn er risico’s voor het milieu?

    Op het einde van hun levensduur worden alle producten afval. Een vraag die burgers en onderzoekers zich stellen, is: hebben de nanomaterialen in nanotech-producten een schadelijk effect op de stortplaats? Kunnen deze afvalresten interfereren met dieren en planten, en leiden tot schadelijke effecten? Dit zijn complexe vragen en het vinden van antwoorden vergt tijd. Dit wordt over de hele wereld onderzocht. Wetenschappers onderzoeken ook of het wassen van bepaalde items, zoals kleding die nanomaterialen bevat, kan leiden tot veiligheidsproblemen. Sommige burgerlijke partijen beweren dat consumentenproducten die nanomaterialen bevatten niet op de markt mogen worden gebracht totdat deze vragen volledig zijn beantwoord. Anderen beweren dat we al veel in contact zijn gekomen met natuurlijke nanodeeltjes; in het milieu, de natuur en vervuiling. Nanodeeltjes zijn niet iets geheel nieuws en zelfs als we meer onderzoek naar veiligheid zouden doen, moeten we proberen om de vooruitgang van dit onderzoeksgebied niet teveel te belemmeren.

  • Hoe zit het met de wetgeving: hoe wordt nanotechnologie gereguleerd?

    Tot nu toe zijn er geen specifieke regels in het EG voor nanomaterialen. Na een aantal herzieningen en evaluaties is het officiële standpunt dat nanomaterialen voldoende worden gedekt onder de huidige regelgeving. Nanomaterialen worden beschouwd als chemische stoffen, die aan een aantal regels moeten voldoen om in consumentenproducten en industriële processen te worden gebruikt. Sommige burgerlijke partijen vragen een specifieke wetgeving voor nanomaterialen, aangezien nanomaterialen over speciale eigenschappen beschikken die speciale aandacht vergen. Op dit moment is er geen enkele wet die producenten verplicht om op het label te vermelden dat het product nanomaterialen bevat, met uitzondering van cosmetica en levensmiddelen, die dit op de lijst met bestanddelen moet vermelden. (vanaf 2014).

    Bron http://nanopinion.archiv.zsi.at/nl/about-nano/wat-nanotechnologie.html