Druty Cudów

To był rodzaj odkrycia, które zdarza się w chemii tylko raz na kilkadziesiąt lat – jeśli masz dużo szczęścia. W 1985 roku Richard E. Smalley i kilku współpracowników z Rice University stworzyli formę węgla, której nigdy wcześniej nie widziano. Układ atomów węgla w każdej cząsteczce przypominał maleńką kopułę geodezyjną, dlatego naukowcy nazwali materiał buckminsterfullerene imieniem architekta, który spopularyzował ten kształt. Dzięki zgrabnie zorganizowanej sieci atomów, buckyball szybko stał się cząsteczką plakatową dla nanotechnologii. Następnie, na początku lat 90., naukowcy dokonali kolejnego zaskakującego odkrycia: z tej samej struktury węglowej można również zrobić puste rurki. Nanorurki węglowe miały wielokrotnie większą wytrzymałość od stali, przewodność elektryczną miedzi i miały średnicę cząsteczki DNA. Krótko mówiąc, były to doskonałe materiały do ​​budowy i okablowania świata nano.

Ponad dziesięć lat po swoim pierwszym odkryciu entuzjazm Smalleya dla nowych materiałów nie słabnie. W zeszłym roku był współzałożycielem firmy Carbon Nanotechnologies, która ma wytwarzać komercyjne ilości nanorurek, które umożliwią innym laboratoriom pchanie technologii do przodu i opracowywanie zastosowań. Jednak jego ciągłe zainteresowanie fulerenami (jak znana jest ogólna kategoria tych cząsteczek opartych na węglu) wykracza daleko poza przewidywanie przyszłych zastosowań technologicznych. Wykształcony jako spektroskop, Smalley, profesor chemii w Rice od 1976 roku, jest zafascynowany samymi cząsteczkami. Przyjmując Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1996 r. za badania nad fulerenami, Smalley nazwał to odkrycie jednym z najbardziej duchowych doświadczeń, jakich kiedykolwiek doświadczył każdy z nas w pierwotnym zespole [badaczy].

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Centrum Nauki i Technologii w Nanoskali o wartości 33 milionów dolarów, które Smalley założył w 1995 roku i którym obecnie kieruje, znajduje się na skraju kampusu Rice w Houston jako świadectwo potencjału fulerenów. Liczba grup badawczych w centrum nanotechnologicznym rośnie tak szybko, że własne laboratorium Smalleya przeniosło się obok na trzecie piętro Centrum Nauki Kosmicznej Rice. Zastępca redaktora naczelnego Technology Review, David Rotman, odwiedził niedawno Smalley, aby zapytać o przyszłość nanotechnologii i dowiedzieć się, dlaczego noblista uważa nanorurki za tak wyjątkowe.

TR: W jaki sposób zwiększona uwaga i finansowanie, takie jak inicjatywa prezydenta Clintona o wartości 495 milionów dolarów na rok 2001, wpłynęła na dziedzinę nanotechnologii?

MAŁE: To, że prezydent o tym mówi, ośmieliło naukowców i technologów do umieszczania nano w swoich propozycjach. Wiedzą, co to jest nowe modne hasło. Ale bardziej imponujące było dla mnie to, w jaki sposób ten pomysł przylgnął do osób zajmujących się nauką. I nie mam wrażenia, że ​​to sztuczna postawa. Podstawowe dyscypliny chemii i fizyki przyjęły tę ideę. Częściowo była to odpowiedź na finansowanie. Ale myślę, że naprawdę jest powszechne uznanie, że naprawdę coś tu jest. Chemia i fizyka posunęły się teraz do punktu, o którym można pomyśleć, aw niektórych przypadkach faktycznie budować i przeprowadzać eksperymenty na [nano] strukturach o wystarczającej złożoności, aby wydarzyło się coś nowego.

TR: Czy istnieje niebezpieczeństwo, że tak jak wiele innych modnych słów, nanotechnologia zacznie tracić swoje prawdziwe znaczenie?

MAŁE: Lubię słowo nanotechnologia. Podoba mi się to, ponieważ przedrostek nano gwarantuje, że przez dziesięciolecia będzie to podstawowa nauka; Technologia mówi, że to inżynieria, coś, w co jesteś zaangażowany nie tylko dlatego, że interesujesz się tym, jak działa natura, ale dlatego, że wytworzy coś, co ma szeroki wpływ. Kiedy połączysz te dwie rzeczy jednym słowem, pojawia się napięcie. Ponieważ nasze dyscypliny, zwłaszcza chemia i fizyka, dojrzały, mamy teraz do czynienia z rzeczami na bardzo podstawowym poziomie, które mają praktyczne znaczenie.

TR: Kiedy patrzysz na różne prace wykonywane w nanotechnologii, co cię najbardziej ekscytuje?

MAŁE: Muszę przyznać, że mam obsesję na punkcie nanorurek węglowych. Ciężko mi wytrzymać dłużej niż 10 minut bez mówienia o nich. Myślę, że są najfajniejszą rzeczą na świecie i myślę, że będą miały największy prawdopodobny wpływ. Ale jeśli oderwę się od tego na chwilę, uważam, że badania nad tym, co nazywam interfejsem mokrym/suchym, są dla mnie najbardziej intrygujące intelektualnie. Być może za 20 lat spojrzymy wstecz i powiemy, że poczyniliśmy ogromne postępy. To, co nazywam mokrą stroną nanotechnologii, jest maszynerią życia komórkowego. Gdy nauczymy się łączyć tę naturalną maszynerię z nieorganicznymi, elektromechanicznymi strukturami i systemami zaprojektowanymi w skali nanometrowej (suchą stronę nanotechnologii), otwierają się ogromne nowe granice zarówno w nauce podstawowej, jak i praktycznej technologii.

Powiedziawszy to, mogę wrócić i powiedzieć, że nanorurki będą niezwykle ważne dla interfejsu mokrego/suchego, ponieważ wniosą coś nowego do gry. Cząsteczki organiczne [cząsteczki zawierające węgiel, które są podstawą żywych organizmów] są niezwykle wszechstronne, ale są pewne rzeczy, których nie potrafią dobrze zrobić. W rzeczywistości są pewne rzeczy, których systemy biologiczne nie były jeszcze w stanie rozgryźć, nawet po ponad czterech miliardach lat. Jedną z rzeczy jest przewodzenie elektryczności tak, jak to robią metale. Inne to przewodnictwo cieplne oraz wytrzymałość i wytrzymałość. Kości są bardzo imponujące, podobnie jak zęby. Ale nie są one stalą, nie mówiąc już o tym, co nanorurki mogą zrobić z wytrzymałością i przewodnością. Tak więc możliwość wzięcia nanorurki węglowej i wprowadzenia jej do sfery biologii molekularnej – niezależnie od tego, czy jest faktycznie rozpuszczona i jest jednym z graczy, czy jako sonda, czy jako część implantu, jako część nowej błony – to naprawdę wniesienie czegoś zupełnie nowego na stół w biologii. Prawie obca rzecz.

TR: Obca rzecz, ponieważ…

MAŁE: Ponieważ przewodzi prąd. Daje te właściwości, których nie można uzyskać z innych cząsteczek organicznych. A to wciąż węgiel, więc ma chemię organiczną. Oto obiekt, który ma, w najwyższym stopniu, aspekty, które uważamy za najważniejsze dla świata nieorganicznego: twardość, wytrzymałość, niesamowitą wytrzymałość, przewodnictwo cieplne i elektryczne. Rzeczy, których po prostu nie możesz zrobić z kością i drewnem. Ale jest zrobiony z węgla. To coś, co gra na tym samym poziomie doskonałości, co molekuły i życie.

W układach biologicznych jest elektryczność, ale jest to spowodowane przemieszczaniem się jonów przez błony. Nerwy działają na zasadzie przewodzenia elektrycznego; węgorze elektryczne z pewnością mają prąd. Ale ten rodzaj elektryczności jest inny niż ten, który biegnie w przewodach i domach, krąży wokół komputerów, sprawia, że ​​działają radia. Nie jest to rodzaj elektryczności, który ma związek z elektronami poruszającymi się w spójny sposób na długich dystansach z niewielką stratą. Taka jest właściwość metali, związków nieorganicznych.

TR: A teraz nanorurki mogą dostarczać tego rodzaju elektryczność do systemów biologicznych?

MAŁE: Tak. Wnoszą do biologii molekularnej, do rzeczy, które wpadają w nocy w komórce, nową zabawkę do zabawy – coś, co przewodzi elektryczność.

TR: Jakie będą nowe zabawki?

MAŁE: Czekajcie na następne tysiąclecie, a zobaczymy. Mógłbym podać kilka przykładów, ale wydałyby się one raczej zwyczajne i doraźne. Dopóki nie dodasz czegoś takiego do mieszanki, nie ma możliwości, aby niesamowita maszyneria żywych komórek mogła skonstruować coś, co może przewodzić elektryczność z wydajnością metali. Tutaj mamy [organiczną] cząsteczkę, która może to zrobić. Nie wierzę, że ktokolwiek jest wystarczająco bystry, by przewidzieć ogromne implikacje tego. Ale Bóg wie, ile minie lat, zanim nanorurki staną się częścią żywych komórek. Wcześniej możemy wykorzystać nanorurki jako sondy do komórek, jako sondy do wykrywania struktury cząsteczek, do sekwencjonowania DNA. To są wspaniałe nowe przewody, które to umożliwiają.

TR: Nad jakimi projektami pracujecie teraz ty i twoja grupa?

MAŁE: Największym celem jest wytwarzanie nanorurek. O to właśnie początkowo chodzi tej firmie, odkręcając kurek, aby badacze na całym świecie mieli dostęp do najczystszej jakości rur, które możemy wyprodukować w dużych ilościach przy niskich kosztach. Chcemy udostępnić nanorurki po wystarczająco niskich kosztach, aby Twoja wyobraźnia mogła latać. Rurki te występują w trzech rodzajach: metale [doskonałe przewodniki elektryczne] i dwa rodzaje półprzewodników. Chcę je produkować z na tyle dużą wydajnością, abym mógł dostarczyć kilogram danej tuby.

DZIECI : Czyli chcesz, aby nanorurki były szerzej dostępne. Inne grupy patrzą na nanorurki stricte z punktu widzenia zastosowań. Jakie są interesujące aplikacje, nad którymi pracują?

MAŁE: Wygląda na to, że w najbliższym czasie jedna aplikacja pojawi się na ekranach [płaskich]. Wiele firm posiada już prototypowe wyświetlacze wykorzystujące nanorurki. Nie zdziwię się, jeśli za kilka lat zobaczysz na rynku wyświetlacze z nanorurek.

Innym obszarem, który będzie szybki, są dodatki do tworzyw konstrukcyjnych [stosowanych w zastosowaniach konstrukcyjnych lub zaawansowanych technologicznie, takich jak obudowy komputerów]. Możesz wywołać zachowanie antystatyczne nawet przy bardzo, bardzo niskim poziomie nanorurek i ekranowanie EMI [zakłócenia elektromagnetyczne: takie ekranowanie jest używane do ochrony laptopów i innej przenośnej elektroniki] na bardzo umiarkowanych poziomach. W przeciwieństwie do wszystkiego, co dodajesz do polimerów, aby były antystatyczne lub do ekranowania EMI, prawdopodobnie zwiększy to wytrzymałość i wytrzymałość konstrukcyjnych tworzyw sztucznych. Spodziewam się również, że w ciągu kilku lat znajdziesz dostępne na rynku końcówki nanorurek do sond mikroskopowych sił atomowych. Oczekuję, że zastosowanie w gadżetach nanotechnologicznych będzie naprawdę rozkwitać w ciągu najbliższych pięciu lat.

Chcielibyśmy, aby biznes rozwijał się tak, aby pojawiły się bodźce ekonomiczne do zbudowania dużego procesu [produkcyjnego] i obniżenia cen. W tej chwili cena nanorurek wynosi około 500 dolarów za gram. Oblicz liczby. To prawie 230 000 dolarów za funt. Z czasem ten towar zostanie wyprodukowany jako towar masowy bliższy 10 USD za funt, a nawet niższy. Ale będziesz musiał zbudować fabrykę, a rynek musi tam być. Tempo rozwoju firmy jest silnie uzależnione od tych wczesnych rynków.

TR: Masz nadzieję, że w miarę, jak będziesz otrzymywać coraz lepsze materiały, aplikacje będą się otwierać?

MAŁE: Zgadza się. A ten następny rok będzie prawdziwym przełomem, ponieważ nasz proces wyłoży społeczności naukowej minimum 10 kilogramów. Całkowita produkcja jednościennych nanorurek dowolnej jakości do tego czasu prawdopodobnie wyniosła mniej niż jeden kilogram.

TR: Oczywiście żadne z tych krótkoterminowych zastosowań nie spełnia ogromnej obietnicy nanorurek, prawda? Na przykład działając jako przewodnik elektryczny w środowisku biologicznym?

MAŁE: A to, o czym mówiłem wcześniej, dotyczyło tylko interfejsu wet/dry. Potem wracasz na suchą stronę. Istnieje szalone obrzeże świata nanorurek, o którym jeszcze nie rozmawialiśmy. W ciągu najbliższego roku w moim laboratorium, i podejrzewam, że w wielu na całym świecie, będzie duży nacisk na opracowanie sposobów przędzenia ciągłych włókien – włókien makroskopowych – nanorurek o wysokim stopniu orientacji [nanorurki byłyby ułożone jak surowe spaghetti w pudełku]. Myślę, że odniesie to sukces i będzie to coś wyjątkowego.

W jednym kierunku nanorurki są najmocniejszą cholerną rzeczą, jaką kiedykolwiek zrobisz we wszechświecie i są doskonałymi przewodnikami elektrycznymi; w drugim [prostopadłym] kierunku są dyskietki, a przewodność elektryczna jest dość słaba. Tak więc w materiałach, w których chcesz przewodzić prąd, zależy Ci na tym, jak dobrze ułożone są nanorurki. Uważam, że będzie możliwe wytwarzanie ciągłych włókien z nanorurek w wydajnym procesie przędzenia, w którym wszystkie rurki zostaną wyrównane. Nie nazwałbym tego szaleńczym marginesem; Myślę, że to się stanie. Ale teraz porozmawiajmy o naprawdę szalonej skrajności. Co by było, gdyby te przędzione włókna miały zamiast mikrometra długość kilometra?

TR: Teoretycznie można by zrobić włókna nanorurek o długości kilometra?

MAŁE: Teoretycznie możesz je dostać do Alpha Centauri. Jaka byłaby siła długiego włókna? Miałbyś najmocniejszą cholerną rzecz, jaką kiedykolwiek stworzono we wszechświecie. Czy kiedykolwiek możemy to zrobić? A co by to było? Gdybyś mógł zrobić to tanio i mieć ciągłą długość, mógłbyś zbudować najdłuższy wiszący most, o jakim kiedykolwiek słyszałeś, windy w kosmosie. Ale buckycables byłyby również wspaniałymi przewodnikami elektryczności. Jest logicznym zamiennikiem wszystkich kabli elektroenergetycznych na świecie. To na marginesie szaleńców, ale mogę to powiedzieć, ponieważ jestem tego zwolennikiem.

TR: Jak wiecie, coraz więcej wysiłku poświęca się wykorzystywaniu cząsteczek organicznych jako maleńkich przełączników w urządzeniach nanoelektronicznych ( zobaczyć Obliczenia molekularne , TR maj/czerwiec 2000 ). Jaką rolę w elektronice molekularnej będą odgrywać nanorurki?

MAŁE: Na dłuższą metę wydaje się, że muszą się zorientować, ponieważ są nano i przewodzą prąd. Nie sądzę, aby ktokolwiek był wystarczająco mądry, by wiedzieć, czy w ciągu następnej dekady wpadną w nanoelektroniczne gadżety, czy nie. W rzeczywistości nikt nie jest na tyle sprytny, aby wiedzieć, czy w następnej dekadzie pojawią się gadżety nanoelektroniczne. Ale większość ludzi zgadza się, że gdyby trzeba było wybrać przewodnik elektryczny w nanoelektronice, ostatecznie będzie to nanorurka. Musimy tylko być na bieżąco, aby zobaczyć, jak szybko to się stanie.

TR: Na razie nawet coś tak prostego, jak umieszczenie nanorurki tam, gdzie chcesz, nadal jest wyzwaniem, prawda?

MAŁE: W zrozumieniu działania nanorurek naprawdę jesteśmy dziećmi, nawet nie dziećmi, niemowlętami.

TR: Mimo to zastanawiałem się, jak szybko zmieniła się dziedzina nanotechnologii. Kiedy przeprowadzałem z tobą wywiad kilka lat temu, dużo rozmawialiśmy o szumie wokół nanotechnologii. Teraz, gdy w sprawę angażuje się coraz więcej poważnych naukowców, wydaje się, że wykroczyło poza to.

MAŁE: To był kluczowy czynnik, zaangażowani poważni naukowcy, którzy są dalecy od nanobotów [roboty w nanoskali figurują w wielu spekulacyjnych wizjach nanotechnologii]. Nie do końca ukończyliśmy zadanie de-nanobotowania pola. Ale najważniejsze jest to, że nanotechnologia jest tak ważna, że ​​nie chcemy, aby była kojarzona tylko z nanobotami. To, czy kiedykolwiek mogą się wydarzyć, czy nie, to inna kwestia, ale nanotechnologia ma znacznie szerszą rzeczywistość – i pod pewnymi względami o wiele bardziej interesującą.

ukryć