Nanotech: galimo menas

George'o M. Whitesideso darbo linijoje dalykai matuojami nanometrais. Nanometras yra viena milijardoji metro dalis, o norėdami pajusti, koks jis mažas, pamirškite apie analogijas su žmogaus plauko pločiu ar smeigtuko galvute. Nano skalė neturi nieko bendra su pažįstamais daiktais. Turite galvoti apie vietą, kurioje objektai, įskaitant įrenginius, su kuriais dirba Whitesides ir kiti, yra tik šiek tiek didesni už atomus.

Tokio masto daiktų kūrimas vadinamas nanotechnologija. Tai sparčiai besivystanti sritis, turinti didžiulį potencialą; maži įrenginiai gali pakeisti skaičiavimus, informacijos saugojimą, ryšius ir daugybę nenumatytų sričių. Tačiau tai taip pat sritis, kuriai būdingi pertekliniai pažadai, spėliojama apie nanomašinas, kurios labiau tikėtina, kad bus randamos „Star Trek“, o ne laboratorijoje.

Ši istorija buvo mūsų 1998 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Išskirtinis chemikas ir medžiagų mokslininkas Whitesidesas daugelį metų tyrinėja šį labai mažą pasaulį. Po beveik 20 metų MIT, Whitesides prisijungė prie Harvardo universiteto chemijos katedros 1982 m. Harvardo mokslininkas pateikė mikro ir nanogamybą, naudodamas kai kuriuos naudingiausius statybos metodus. Tačiau Whitesides taip pat gerai apmokytas nano pasaulio realybės patikrinimas. Nepaisant akivaizdaus entuziazmo šiai sričiai, jis ketina apibrėžti, kas yra, o kas ne, bus įmanoma.

VAIKAI Vyresnysis redaktorius Davidas Rotmanas neseniai aplankė Whitesidesą, Mallinckrodt chemijos profesorių Harvardo universitete, savo Kembridžo biure, kad išskirtų faktus iš mokslinės fantastikos nanotechnologijų srityje.

TR: Pradėkime nuo pagrindinio klausimo. Kiek mažas atitinka nanotechnologijų reikalavimus?
BALTAI: Standartinis apibrėžimas yra funkcinės struktūros, kurių elementų dydis mažesnis nei 100 nanometrų, bet manau, kad skaičius tikriausiai turėtų būti 50 nanometrų ar mažesnis.

TR: Kodėl nanotechnologijos yra tokios intriguojančios?
BALTAI: Tai mikrotechnologijų pratęsimas. O mikrotechnologijos yra kompiuterių komponentų gamybos pagrindas, ir tai yra labai didelis dalykas. Mikrotechnologijos ilgus metus laikosi minties, kad daiktų sumažinimas duoda naudos – jie pigesni, daugiau nešiojamumo ir našumo už dolerį. Idėja yra ta, kad kadangi mažesnis dirbo su mikroelektronika, galite tęsti šią tendenciją, viršijančią dabartinius mikroelektronikos dydžius, ir šis susitraukimas pateks į pasaulį, vadinamą nano.

TR: Kokios konkrečios technologijos galėtų atsirasti iš tokio darbo?
BALTAI: Puikus pavyzdys yra informacijos saugojimas. Šiuo metu CD disko dėmės dydis yra apie 10 kvadratinių mikrometrų. Žmonės, ypač IBM žmonės, sukūrė kompaktinių diskų atitikmenis, kuriuose naudojami besisukančio disko duobės, tačiau dabar duobės yra 50 nanometrų dydžio. Galite gauti rankinio laikrodžio dydžio daiktą, atitinkantį gal 1000 kompaktinių diskų. Tai pradeda artėti prie informacijos bibliotekos dalies, kurios jums reikia jūsų gyvenimui. Tai kelia įdomių klausimų: kas atsitiks, kai visą informaciją, kurios jums reikia didžiajai gyvenimo daliai, galite įdėti į laikrodį, o ne iš tikrųjų jos mokytis? Tai viena iš tų idėjų, kuri šiek tiek pakeičia supratimą apie tai, kaip reikia gyventi. Galite priimti tas idėjas ir jas ekstrapoliuoti. Ant rankinio laikrodžio įdedate mikro arba pasaulinę padėties nustatymo sistemą, kad žinotumėte, kur esate. Galite turėti galimybę nustatyti savo vietą, atlikti skaičiavimus, naudoti informaciją, bendrauti.

TR: Kur mes esame, kai iš tikrųjų suvokiame kai kuriuos iš šių dalykų?
BALTAI: Laboratorinių prototipų stadijoje. Žmonės yra sukūrę nedidelius kompaktinius diskus, bet jų negalima naudoti ne laboratorijoje. Bus labai sunku išplėsti gamybos metodus, kuriuos žmonės dabar naudoja šioms mažoms konstrukcijoms gaminti, į bet ką, ką tikrai galima pagaminti, bet taip atsitiks.

TR: Koks tai didelis iššūkis?
BALTAI: Mes iš principo demonstruojame mikroelektroniką, kad jei galite padaryti daiktus mažesnius, žmonės ras daug įdomių dalykų su jais. Šiuo metu laboratorijose galime pagaminti smulkius dalykus, bet nežinome, kaip masiškai pagaminti iš tikrųjų mažus dalykus gamybinėje aplinkoje. Ir mes nežinome, kaip juos panaudoti, kai juos pagaminsime. Kol ta gamybos problema nebus išspręsta, mes nežinosime, ką galima pagaminti, ir nežinosime, kokia bus technologija.

TR: Fotolitografija, kuri naudoja ultravioletinę šviesą, kad išgraviruotų raštus ant silicio lustų, yra dominuojanti technologija gaminant mikroelektroniką mikrometro skalėje. Bet, suprantu, jūs nematote, kad nanotechnologijų srityje tai turėtų daug ateities?
BALTAI: Fotolitografija buvo labai sėkminga. Su šia technologija mums puikiai sekėsi ir yra pagrindo manyti, kad tai tęsis kurį laiką. Bet dabar jūs pradedate šiek tiek atsitraukti ir pasakyti: „Na, sunku pasiekti žemiau 100 nanometrų, ir jūs negalite sukurti 3-D dalykų. Tai tikrai netinka per daugybei medžiagų, išskyrus silicį ir panašius dalykus. Norėtume, kad daiktai būtų maži, kad jie būtų greiti ir pigūs, nešiojami ir nereikėtų energijos. Kaip tai padaryti?

TR: Kokios yra alternatyvos?
BALTAI: Vienas iš jų yra elektronų pluoštas, kurio įsikūnijimas yra skalpelis. [Skalpelis yra sistema, sukurta Lucent Technologies Bell Labs, kuri naudoja elektronų pluoštus silicio plokštelėms modeliuoti]. Kitas varžovas yra rentgeno litografija [šis procesas naudoja rentgeno spindulius plokštelėms modeliuoti]. Abu jie turi daug labai sudėtingų techninių problemų, kurios, manome, bus daugiau ar mažiau išspręstos, tačiau ar jos tikrai pakankamai pigios – kitas klausimas. Ir tada atsiranda naujesnių technologijų, kurios, manau, yra teisėtai toli, pavyzdžiui, litografija naudojant neutralius atomus arba jonų pluoštus. Šiuo metu tai yra tikros žirgų lenktynės, kokios technologijos bus naudojamos nanotechnologijoje. Bet tai tik pradžia.

TR: Ar fotolitografijos apribojimai yra pakankamai esminiai, kad paskatintų visiškai naują mikroelektronikos gamybos technologijų sritį?
BALTAI: Jie galėtų būti. Fotolitografija tampa labai sudėtinga ir labai brangi. Apskaičiuota, kad naujos kartos konstrukcijų [puslaidininkinių lustų gamybos įrenginiai], kurie dabar planuojami 2000 m., kapitalo sąnaudos vienam gaminiui yra nuo 3 iki 10 mlrd. Jei norite 20 procentų investicijų grąžos ir įdedate 10 milijardų JAV dolerių, kiek mikrovaldiklių turite parduoti kasmet per tuos kelerius metus, kol šis nuostabus dalykas yra moderniausias? Atsakymas yra, daug. O žmonėms, kurie turi padėti pinigus, tai nepatinka.

TR: Taigi vis dar lieka klausimas, kaip bus pagaminti labai maži dalykai. Kokie dar nežinomi dalykai apie nanotechnologijų ateitį?
BALTAI: Yra problema, kad įrenginiai, kai pasiekiate tikrąjį nanoskalės dydį, nebeveikia taip, kaip tikėtasi, remiantis esamų įrenginių ekstrapoliacija. Sulaukiate šiek tiek skirtingų nuomonių apie tai, kiek galima ekstrapoliuoti esamą technologiją. Spėju, kad galima paimti esamas sistemas ir ekstrapoliuoti jas kažkur 50–100 nanometrų srityje. Kai pradedate suartinti laidus, tranzistorius ir kitus komponentus, jie pradeda kalbėtis vienas su kitu, o šis perkalbėjimas tampa labai rimta problema. Naudojamų pagrindinių medžiagų – legiruoto silicio – savybes taip pat sunku kontroliuoti.

TR: Be mikroelektronikos mažėjimo ir mažėjimo, buvo daug kalbų apie nanotechnologijų naudojimą kitoms, mechaninėms, reikmėms.

BALTAI: Yra daug dalykų, kurie svyruoja nuo potencialiai tikrų iki mokslinės fantastikos dalykų. Yra idėja apie labai mažas autonomines mašinas, kurios plaukia kraujyje ar panašiai. Nematau būdo, kaip tai realizuoti. Priežastis ta, kad, be problemų kuriant juos, yra siaubingų problemų, susijusių su galia bet kurioje autonominėje sistemoje. Turės būti tikrai gilus išradimas, kol kas nors supras, kaip maitinti mažas autonomines sistemas. Turime maitinamų sistemų pavyzdžių: pavyzdžiui, gyvos ląstelės arba ląstelės organelės. Tačiau ląstelė iš tikrųjų nėra mažas objektas. Žinduolių ląstelės yra maždaug 25 mikrometrų skersmens, o net bakterijų ląstelės yra nuo 1 iki 3 mikrometrų. Virusai, kurie yra daug mažesni, nėra maitinami. Taigi galia yra vienas esminių klausimų. Trintis mažose judančiose sistemose yra sekundė. Gamyba yra trečdalis.

TR: Ar manote, kad kai kurios iš šių programų buvo pernelyg populiarios?
BALTAI: Ką Erikas Drexleris [K. Ericas Drexleris yra mokslinis bendradarbis Molekulinės gamybos institute Palo Alte, Kalifornijoje; jo knyga „Kūrybos varikliai“ padėjo populiarinti nanotechnologijas], o kiti kuria idėjų seriją, pagrįstą esamų dalykų sumažinimu. Sakoma, jei turi didelį Rotorooter, kodėl gi ne mažytį Rotorooter?

TR: Bet akivaizdu, kad vien dėl to, kad jie mažesni…
BALTAI: Jie nebūtinai geresni. Mažesnis nebūtinai visada yra geresnis.

TR: Ir jie ne visada veikia kaip tik mažesnė kopija.
BALTAI: Teisingai. Jie ne tik nebūtinai geresni, ypač jei yra brangesni, bet ir gali neveikti pagal tuos pačius principus. O tai reiškia, kad tikrai mažoms struktūroms turėtume išrasti naujas architektūras ir naujus problemos mąstymo būdus, kad galėtume susidoroti su šių mažų mašinų ypatumais. Ir, žinoma, vienas iš įdomių klausimų yra, kur bus verta dėti pastangas, kad būtų pagamintos tikrai labai mažos mašinos?

TR: Jei šį pokalbį kalbėtume po penkerių ar 10 metų, ar spėtume, apie ką kalbėtume?
BALTAI: Manau, kad mums gali būti šiek tiek kitoks pokalbis. Tai, kad mažiau kalbama apie tai, kaip nanotechnologijos pakeitė pasaulį, ir daugiau apie tai, kaip jį pakeitė nebrangios mikrotechnologijos. Šiuo metu mikrogamybos struktūrų pasaulį nuo kelių šimtų nanometrų iki poros mikronų [mikronas yra mikrometras, viena milijonoji metro dalis] rezervuojame elektroniniams mikroprocesoriams ir kompiuterių sistemoms. Labai pagrįstas klausimas, kas atsitiks, kai daugelį dalykų, kurie dabar gaminami centimetrų ir milimetrų masteliais, išplečiate iki mikrometro skalės, ir kokių naujų funkcijų gausite?

TR: Ką tu turi omenyje?
BALTAI: Frazė, kurią naudoju, yra mikronų masto technologija su laikraštinio popieriaus ekonomika. Pavyzdžiui, užuot pirkę laikraštį, galite nusipirkti popieriaus lapą; galinėje jo pusėje būtų baterija, priekinėje jo pusėje būtų ekranas. Perskaitote, slinkite, kad surastumėte jame informacinius kūrinius, pamatysite animuotas iliustracijas, o baigę išmetate. Vienas iš dalykų, apie kurį galime kalbėti po 10 metų, yra tai, kaip mikronų masto elektronika, naudojanti naujas technologijas, įsiskverbė į įvairius dalykus. Tikiu, kad beveik viskas – batai, langai, vaikiški žaislai, bakalėjos prekių etiketės, siuntimo etiketės, kreditinės kortelės – po kelerių metų turės elektronikos.

TR: Dažnai minite biologiją ir gamtines sistemas. Ką biologija jums sako apie nanotechnologijas?
BALTAI: Biologija sukuria visų rūšių labai funkcionalias mažas struktūras. Drexleris kalba apie mažus variklius; turime puikų mažo variklio biologijos pavyzdį, kuris yra bakterijų žvynelinis variklis. Šis variklis tikrai veikia labai gerai ir iš tikrųjų atrodo kaip variklis. Ar galime išmokti tinkamu būdu panaudoti šiuos biologinius dalykus savo įrenginiuose, ar geriau suprasti biologijos principus ir tada išmokti šiuos principus įtraukti į nebiologines sistemas? Kitas pavyzdys yra jutikliai. Daug to, kas daroma bet kurioje biologinėje sistemoje, yra jutimas. Tinklainė, nosis – visa tai priklauso nuo molekulių, kurios yra nanoskalės jutikliai. Kaip galime panaudoti šias idėjas dirbtinėms akims ir nosims sukurti?

TR: Ar biologija ką nors pasako apie laukiančius iššūkius?
BALTAI: Mus sudaro hierarchinis struktūrų ir komponentų rinkinys. Turime nanoskalės lygio molekules, surinktas į organelius, kurių dydis yra nuo 10 nanometrų iki galbūt 100 nanometrų, surenkamas ir bendrai veikia ląstelėse, kurios vėliau agreguojasi į audinius, kurie tampa mumis. Viena iš elektronikos problemų yra ta, kad dirbame tik dviem svarstyklėmis. Tranzistoriai ir tranzistorių rinkiniai - ir tai yra įrenginys. Tačiau norėdami pasinaudoti visais nano pranašumais, turėsime galvoti apie visą struktūros lygių hierarchiją.

TR: Kokios yra didesnės pamokos, kurias jums išmokė nanotechnologijų tyrimai?
BALTAI: Viena iš jų yra nuostata, kad funkcija dažnai yra hierarchinė ir prioritetinė. Molekulės daro tam tikrus dalykus, 10 nanometrų objektai daro tam tikrus skirtingus dalykus, 100 nanometrų objektai daro dar kitokius dalykus. Norint atlikti sudėtingas funkcijas, reikia išmokti iš mažų gabalėlių sukurti didelius objektus, pasinaudojant kiekvieno unikaliomis galimybėmis. Antra, yra reiškinių, kurie priklauso nuo dydžio. Vienas iš dalykų, kuriuos galima padaryti bet kokiu mastu, yra ieškoti palyginamumo tarp reiškinio, į kurį žiūrite, ir objekto. Kai matote, kad reiškinys ir struktūros yra panašaus dydžio, galite padaryti įdomių dalykų. Trečias dalykas yra tai, kad nanometrų skalėje nėra turtingesnio įdomių idėjų ir strategijų sandėlio nei biologija.

paslėpti