Stebuklų laidai

Tai buvo toks atradimas, kuris chemijoje nutinka tik kartą per kelis dešimtmečius – jei labai pasiseks. 1985 m. Richardas E. Smalley'us ir keli Rice universiteto bendradarbiai sukūrė iki šiol nematytą anglies formą. Anglies atomų išsidėstymas kiekvienoje molekulėje priminė mažytį geodezinį kupolą, todėl tyrėjai šią medžiagą pavadino buckminsterfullerenu architekto, kuris išpopuliarino formą, vardu. Dėl savo tvarkingos struktūros atomų tinklo „Buckyball“ greitai tapo nanotechnologijų plakato molekule. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje mokslininkai padarė dar vieną stulbinantį atradimą: iš tos pačios anglies struktūros taip pat buvo galima pagaminti tuščiavidurius vamzdelius. Anglies nanovamzdeliai buvo daug kartų didesni už plieną, elektrinį laidumą nei varis ir buvo DNR molekulės skersmens. Trumpai tariant, jos buvo puikios medžiagos nano pasauliui kurti ir prijungti.

Praėjus daugiau nei dešimtmečiui nuo pirminio atradimo, Smalley entuziazmas naujoms medžiagoms nerodo blėsta. Praėjusiais metais jis įkūrė bendrovę „Carbon Nanotechnologies“, kurios tikslas – gaminti komercinius nanovamzdelių kiekius, kurie leistų kitoms laboratorijoms plėtoti technologiją ir kurti programas. Tačiau jo nuolatinis susidomėjimas fullerenais (kaip žinoma bendra šių anglies pagrindu pagamintų molekulių kategorija) gerokai viršija būsimo technologinio panaudojimo numatymą. Spektroskopuotojo išsilavinimą įgijęs Smalley, Rice chemijos profesorius nuo 1976 m., žavisi pačiomis molekulėmis. Priimdamas 1996 m. Nobelio chemijos premiją už fullerenų tyrimus, Smalley pavadino šį atradimą vienu dvasingiausių patirčių, kurią bet kuris iš mūsų, priklausantis pradinei [tyrėjų] komandai, kada nors patyrė.

Ši istorija buvo mūsų 2001 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

33 milijonų dolerių vertės nanomastelio mokslo ir technologijų centras, kurį Smalley įsteigė 1995 m. ir kuriam dabar vadovauja, yra Hiustone esančio Rice universiteto pakraštyje, liudijantis apie fullerenų potencialą. Nanotechnologijų centro tyrimų grupių skaičius auga taip greitai, kad Smalley laboratorija persikėlė į trečiąjį Rice's kosmoso mokslo centro aukštą. „Technology Review“ redaktoriaus pavaduotojas Davidas Rotmanas neseniai lankėsi Smalley, norėdamas paklausti apie nanotechnologijų ateitį ir išgirsti, kodėl Nobelio premijos laureatas mano, kad nanovamzdeliai yra tokie ypatingi.

TR: Kaip padidėjęs dėmesys ir finansavimas, pavyzdžiui, prezidento Clintono 495 mln. USD nanotechnologijų iniciatyva 2001 m., paveikė nanotechnologijų sritį?

SMALLEY: Tai, kad prezidentas apie tai prabilo, paskatino mokslininkus ir technologus pradėti savo pasiūlymuose įtraukti nano. Jie žino, kas yra naujas madingas žodis. Tačiau man dar įspūdingiau buvo tai, kaip ši idėja įsitvirtino tiems, kurie užsiima mokslu. Ir man nekyla jausmas, kad tai dirbtinis laikysena. Pagrindinės chemijos ir fizikos disciplinos sušildė šią idėją. Dalis to buvo atsakas į finansavimą. Bet aš manau, kad iš tikrųjų yra bendras įvertinimas, kad čia kažkas tikrai yra. Chemija ir fizika dabar pažengė tiek, kad galima sugalvoti, o kai kuriais atvejais iš tikrųjų kurti ir eksperimentuoti su pakankamai sudėtingomis [nano] struktūromis, kad atsitiktų kažkas naujo.

TR: Ar yra pavojus, kad nanotechnologijos, kaip ir daugelis kitų populiarių žodžių, pradės prarasti savo tikrąją prasmę?

SMALLEY: Man patinka žodis nanotechnologija. Man tai patinka, nes priešdėlis nano garantuoja, kad tai bus fundamentalus mokslas dešimtmečius; technologija sako, kad tai yra inžinerija, o jūs dalyvaujate ne tik todėl, kad domitės gamta, bet ir todėl, kad ji sukurs kažką, kas turės platų poveikį. Kai tuos du dalykus sujungiate į vieną žodį, atsiranda įtampa. Kadangi mūsų disciplinos, ypač chemija ir fizika, subrendo, dabar sprendžiame labai pagrindinius dalykus, kurie turi praktinę reikšmę.

TR: Pažvelgus į skirtingus nanotechnologijų darbus, kas jus labiausiai jaudina?

SMALLEY: Turiu pripažinti, kad esu tiesiog apsėstas anglies nanovamzdelių. Man sunku ilgiau nei 10 minučių nekalbėti apie juos. Manau, kad jie yra šauniausi dalykai, ir manau, kad jie turės didžiausią tikėtiną poveikį. Bet jei nors akimirką nuo to atitrūksiu, manau, kad moksliniai tyrimai, kuriuos aš vadinu drėgna/sausa sąsaja, mane intelektualiai labiausiai intriguoja. Gali būti, kad po 20 metų mes pažvelgsime atgal ir sakysime, kad padarėme didžiulę pažangą. Tai, ką aš vadinu drėgnąja nanotechnologijų puse, yra ląstelių gyvybės mechanizmas. Kai išmoksime susieti šią natūralią mašiną su neorganinėmis, elektromechaninėmis struktūromis ir sistemomis, sukurtomis nanometrų skalėje (sausoji nanotechnologijų pusė), atsivers didžiulės naujos ribos tiek fundamentiniame moksle, tiek praktinėse technologijose.

Tai pasakęs, galiu sugrįžti ir pasakyti, kad nanovamzdeliai bus nepaprastai svarbūs drėgnai/sausai sąsajai, nes jie žaidime atneš kažką naujo. Organinės molekulės [anglies turinčios molekulės, kurios yra gyvų būtybių pagrindas] yra nepaprastai universalios, tačiau yra dalykų, kurių jos negali padaryti gerai. Tiesą sakant, yra kai kurių dalykų, kurių biologinės sistemos dar nesugebėjo išsiaiškinti net po keturių ir daugiau milijardų metų. Vienas dalykas yra elektros laidumas taip, kaip metalai. Kiti yra šilumos laidumas, stiprumas ir tvirtumas. Kaulai labai įspūdingi, dantys taip pat. Tačiau jie nėra plienas, jau nekalbant apie tai, ką nanovamzdeliai gali padaryti su stiprumu ir laidumu. Taigi galimybė paimti anglies nanovamzdelį ir perkelti jį į molekulinės biologijos sritį – nesvarbu, ar jis iš tikrųjų ištirpęs ir yra vienas iš žaidėjų, ar kaip zondas, ar kaip implanto dalis, kaip naujos membranos dalis – tai tikrai atneša kažką visiškai naujo ant stalo biologijoje. Beveik svetimas dalykas.

TR: Svetimas dalykas, nes…

SMALLEY: Nes praleidžia elektrą. Tai suteikia savybių, kurių negalite gauti iš kitų organinių molekulių. Ir tai vis tiek yra anglis, todėl turi organinės chemijos. Čia yra objektas, turintis neorganiniame pasaulyje svarbiausius aspektus: kietumą, tvirtumą, siaubingą stiprumą, šilumos ir elektros laidumą. Dalykai, kurių tiesiog negalite padaryti su kaulu ir medžiu. Bet jis pagamintas iš anglies. Tai kažkas, kas žaidžia tokį patį tobulumo lygį kaip molekulės ir gyvybė.

Biologinėse sistemose yra elektros, bet tai dėl jonų, judančių per membranas. Nervai veikia elektros laidumu; elektriniai unguriai tikrai turi elektros. Tačiau tokia elektra skiriasi nuo tos, kuri teka laiduose ir namuose, bėga aplink kompiuterius, veikia radijo imtuvus. Tai nėra tokia elektra, kuri yra susijusi su elektronais, judančiais dideliais atstumais ir nedideliais nuostoliais. Tai metalų, neorganinių junginių savybė.

TR: O dabar nanovamzdeliai galėtų atnešti tokią elektros energiją į biologines sistemas?

SMALLEY: Taip. Jie suteikia molekulinei biologijai, daiktams, kurie naktį atsitrenkia į ląstelę, naują žaislą, su kuriuo galima žaisti, – kažką, kas praleidžia elektrą.

TR: Kokie bus nauji žaislai?

SMALLEY: Stebėkite ateinantį tūkstantmetį ir pamatysime. Galėčiau pateikti keletą pavyzdžių, bet jie atrodytų labiau pėstieji ir ad hoc. Kol į mišinį neįdėsite kažko panašaus, neįtikėtina gyvų ląstelių aparatūra negalės sukurti kažko, kas galėtų pravesti elektrą metalų efektyvumu. Čia mes turime [organinę] molekulę, kuri gali tai padaryti. Nemanau, kad kas nors pakankamai šviesus, kad nuspėtų didžiules to pasekmes. Tačiau Viešpats žino, kiek metų praeis, kol nanovamzdeliai taps gyvų ląstelių dalimi. Prieš tai nanovamzdelius galime naudoti kaip zondus į ląsteles, kaip zondus molekulių struktūrai nustatyti, DNR sekai nustatyti. Tai nuostabūs nauji laidai, skirti tai padaryti.

TR: Prie kokių projektų dabar dirbate jūs ir jūsų grupė?

SMALLEY: Didžiausias dėmesys skiriamas nanovamzdelių gamybai. Ši įmonė iš pradžių tuo ir siekia įjungti kaištį, kad mokslininkai visame pasaulyje turėtų prieigą prie nepriekaištingos kokybės vamzdžių, kurių galime pagaminti dideliais kiekiais už mažą kainą. Norime, kad nanovamzdeliai būtų prieinami už pakankamai mažą kainą, kad jūsų vaizduotė galėtų skraidyti. Šie vamzdžiai būna trijų tipų: metaliniai [puikūs elektros laidininkai] ir dviejų tipų puslaidininkiai. Noriu juos pagaminti pakankamai efektyviai, kad galėčiau pristatyti kilogramą konkretaus vamzdžio.

VAIKAI : Taigi jūs siekiate, kad nanovamzdeliai būtų prieinami plačiau. Kitos grupės į nanovamzdelius žiūri griežtai taikymo požiūriu. Kokias įdomias programas jie dirba?

SMALLEY: Panašu, kad artimiausiu metu viena programa bus rodoma [plokščiojo ekrano] ekranuose. Nemažai įmonių jau turi ekranų prototipus, kuriuose naudojami nanovamzdeliai. Nenustebsiu, jei po kelerių metų rinkoje pamatysite ekranus, kuriuose naudojami nanovamzdeliai.

Kita sritis, kuri bus greita, yra inžinerinių plastikų priedai [naudojami konstrukcinėse arba aukštųjų technologijų srityse, pavyzdžiui, kompiuterio korpuse]. Galite sukelti antistatinį elgesį net esant labai, labai žemam nanovamzdelių lygiui, o EMI [elektromagnetiniai trukdžiai: toks ekranavimas naudojamas nešiojamiesiems kompiuteriams ir kitai nešiojamai elektronikai apsaugoti] labai vidutinio lygio. Kitaip nei bet kas kitas, kurį pridedate prie polimerų, kad jie būtų antistatiški arba EMI ekranavimui, tai tikriausiai padidins inžinerinio plastiko kietumą ir stiprumą. Be to, tikiuosi, kad po kelerių metų rasite komerciškai prieinamų nanovamzdelių antgalių ant atominės jėgos mikroskopo zondų. Naudojimas nanotechnologijų įtaisuose apskritai tikiuosi, kad per ateinančius penkerius metus tikrai klestės.

Norėtume, kad verslas vystytųsi taip, kad atsirastų ekonominių paskatų sukurti didelį [gamybos] procesą ir gerokai sumažinti kainą. Šiuo metu nanovamzdelių kaina yra apie 500 USD už gramą. Apskaičiuokite skaičius. Tai yra beveik 230 000 USD už svarą. Laikui bėgant šios prekės bus pagamintos kaip masinė prekė, kurios kaina bus artimesnė 10 USD už svarą arba net mažesnė. Bet jūs turite pastatyti gamyklą, o rinka turi būti ten. Verslo plėtros tempas labai priklauso nuo šių ankstyvųjų rinkų.

TR: Tikimės, kad kai gausite daugiau ir geresnės medžiagos, atsidarys programos?

SMALLEY: Teisingai. Ir šie kiti metai bus tikras takoskyra, nes mūsų procesas mokslininkų bendruomenei skirs mažiausiai 10 kilogramų. Bendra bet kokios kokybės vienos sienelės nanovamzdelių gamyba iki šiol tikriausiai buvo mažesnė nei vienas kilogramas.

TR: Žinoma, nė vienas iš tų trumpalaikių pritaikymų tikrai neįvykdo didžiulio nanovamzdelių pažado, ar ne? Pavyzdžiui, kaip elektros laidininkas biologinėje aplinkoje?

SMALLEY: Ir tai, apie ką aš kalbėjau anksčiau, buvo tik apie drėgną / sausą sąsają. Tada grįšite į sausą pusę. Yra beprotiškas nanovamzdelių pasaulio pakraštys, apie kurį dar nekalbėjome. Per ateinančius metus mano laboratorijoje, ir aš įtariu, kad daugelyje pasaulio šalių bus didelis postūmis sukurti ištisinių skaidulų – makroskopinių pluoštų – nanovamzdelių, turinčių aukštą orientacijos laipsnį, sukimo priemones [nanovamzdeliai būtų išlyginti kaip nevirti. spagečiai dėžutėje]. Manau, kad tai bus sėkminga, ir tai bus kažkas ypatingo.

Vienos krypties nanovamzdeliai yra stipriausias prakeiktas dalykas, kurį kada nors pagaminsite visatoje, ir yra puikūs elektros laidininkai; kita [statmena] kryptimi jie yra lankstūs, o elektros laidumas yra gana prastas. Taigi, medžiagose, kuriose norite laidumo elektrai, jums rūpi, kaip gerai išlygiuoti nanovamzdeliai. Tikiu, kad bus įmanoma pagaminti ištisinius nanovamzdelių pluoštus veiksmingo verpimo procese, kurio metu visi vamzdeliai bus sulygiuoti. Nepavadinčiau to beprotišku pakraščiu; Manau, kad tai įvyks. Bet dabar pakalbėkime apie tikrai beprotišką kraštutinumą. O kas, jei šie susukti pluoštai būtų ne mikrometro, o kilometro ilgio?

TR: Teoriškai galėtumėte pagaminti kilometro ilgio nanovamzdelių pluoštus?

SMALLEY: Teoriškai galite padaryti juos į Alpha Centauri. Koks būtų ilgo pluošto stiprumas? Turėtum stipriausią prakeiktą daiktą, kuris kada nors buvo sukurtas visatoje. Ar galime kada nors tai padaryti? Ir kas iš to būtų gero? Jei pavyktų jį pagaminti pigiai ir ištisinio ilgio, galėtumėte pagaminti ilgiausią kabantį tiltą, apie kurį kada nors girdėjote, liftus kosmose. Tačiau buckyables taip pat būtų puikūs elektros laidininkai. Tai logiškas visų pasaulio elektros perdavimo kabelių pakaitalas. Tai yra beprotiška riba, bet galiu tai pasakyti, nes esu to šalininkas.

TR: Kaip žinote, vis labiau stengiamasi naudoti organines molekules kaip mažyčius jungiklius nanoelektroniniuose įrenginiuose ( matyti Molekulinis skaičiavimas , TR 2000 m. gegužės/birželio mėn ). Kokį vaidmenį, jūsų manymu, nanovamzdeliai atliks molekulinėje elektronikoje?

SMALLEY: Atrodo, kad ilgainiui jie turi įsitvirtinti, nes jie yra nano ir praleidžia elektrą. Nesvarbu, ar per ateinantį dešimtmetį jie imsis nanoelektroninių prietaisų, ar ne, nemanau, kad kas nors pakankamai protingas, kad žinotų. Tiesą sakant, niekas nėra pakankamai protingas, kad žinotų, ar per ateinantį dešimtmetį bus kokių nors nanoelektroninių prietaisų. Tačiau dauguma žmonių sutinka, kad jei nanoelektronikoje reikėtų pasirinkti elektros laidininką, galiausiai jis bus nanovamzdelis. Turėsime tiesiog stebėti, kaip greitai tai įvyks.

TR: Kol kas net toks paprastas dalykas, kaip nanovamzdelio pastatymas ten, kur norite, vis dar yra iššūkis, ar ne?

SMALLEY: Mes tikrai esame vaikai, net ne vaikai, kūdikiai, suprantantys, kaip veikia nanovamzdeliai.

TR: Vis dėlto galvojau, kaip greitai pajudėjo nanotechnologijų sritis. Kai prieš kelerius metus kalbinau jus, daug kalbėjome apie nanotechnologijų ažiotažą. Dabar, kai įsitraukia vis daugiau rimtų mokslininkų, atrodo, kad tai peržengė.

SMALLEY: Tai buvo pagrindinis veiksnys, kai įsitraukė rimti mokslininkai, kurie yra toli nuo nanobotų [nano mastelio robotai figūruoja daugelyje spekuliatyvių nanotechnologijų vizijų]. Mes dar neįvykdėme nanobotų pašalinimo užduoties. Tačiau svarbiausia yra tai, kad nanotechnologijos yra tokios svarbios, kad nenorime, kad jos būtų siejamos tik su nanobotais. Ar jie kada nors gali įvykti, yra kitas klausimas, tačiau nanotechnologijų realybė yra daug platesnė – ir tam tikra prasme daug įdomesnė.

paslėpti