Nanotech: sztuka możliwości

W zawodzie George'a M. Whitesidesa rzeczy mierzy się w nanometrach. Nanometr to jedna miliardowa metra, a żeby zorientować się, jak to jest małe, zapomnij o analogiach do szerokości ludzkiego włosa czy główki szpilki. Nanoskala nie ma nic wspólnego ze znajomymi przedmiotami. Musisz pomyśleć o miejscu, w którym obiekty – w tym urządzenia, nad którymi pracują Whitesides i inni – są tylko nieznacznie większe od atomów.

Budowanie rzeczy na taką skalę nazywa się nanotechnologią. To szybko rozwijająca się dziedzina o ogromnym potencjale; maleńkie urządzenia mogą zrewolucjonizować informatykę, przechowywanie informacji, komunikację i wiele nieprzewidzianych obszarów. Ale jest to również obszar podatny na przesadzone obietnice, ze spekulacjami na temat nanomaszyn, które częściej można znaleźć w Star Trek niż w laboratorium.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 1998 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wybitny chemik i materiałoznawca Whitesides od lat bada ten bardzo mały świat. Po prawie 20 latach w MIT, Whitesides dołączył do wydziału chemii Uniwersytetu Harvarda w 1982 roku. Naukowiec z Harvardu dostarczył mikro- i nanofabrykacji niektóre z najbardziej użytecznych technik konstrukcyjnych. Ale Whitesides prowadzi również dobrze wyszkoloną kontrolę rzeczywistości w świecie nano. Pomimo swojego oczywistego entuzjazmu dla tej dziedziny, zamierza zdefiniować, co jest, a co nie, będzie możliwe.

DZIECI Starszy redaktor David Rotman odwiedził niedawno Whitesidesa, profesora chemii Mallinckrodt na Harvardzie, w jego biurze w Cambridge, aby oddzielić fakty od science fiction w nanotechnologii.

TR: Zacznijmy od podstawowego pytania. Jak mały kwalifikuje się do nanotechnologii?
BIAŁE: Standardowa definicja to struktury funkcjonalne, których rozmiary są mniejsze niż 100 nanometrów, ale myślę, że liczba ta prawdopodobnie powinna wynosić 50 nanometrów lub mniej.

TR: Dlaczego nanotechnologia jest tak intrygująca?
BIAŁE: To rozszerzenie mikrotechnologii. A mikrotechnologia jest podstawą tworzenia komponentów komputerowych, a to bardzo ważna sprawa. Mikrotechnologia od lat zgadza się z ideą, że zmniejszenie rozmiarów rzeczy przynosi korzyści — są tańsze, zyskujesz większą przenośność i większą wydajność za dolara. Chodzi o to, że ponieważ mniejsze pracowało z mikroelektroniką, możesz kontynuować ten trend poza obecnymi rozmiarami w mikroelektronice, a to kurczenie się przenosi cię do świata zwanego nano.

TR: Jakie konkretne technologie mogą wyniknąć z takiej pracy?
BIAŁE: Dobrym przykładem jest przechowywanie informacji. Obecnie wielkość plamki na dysku CD jest rzędu 10 mikrometrów kwadratowych. Ludzie, zwłaszcza ludzie z IBM, stworzyli odpowiedniki płyt CD, które wykorzystują wgłębienia na wirującym dysku, ale wgłębienia mają teraz rozmiar 50 nanometrów. Mógłbyś otrzymać, w czymś wielkości zegarka na rękę, odpowiednik może 1000 płyt CD. To zaczyna zbliżać się do ułamka biblioteki referencyjnej, której potrzebujesz w swoim życiu. Rodzi to interesujące pytania: co się dzieje, gdy jesteś w stanie umieścić na zegarku wszystkie informacje, których potrzebujesz przez większą część swojego życia, zamiast się ich uczyć? To jeden z tych pomysłów, który nieco zmienia pogląd na to, jak należy prowadzić życie. Możesz wziąć te pomysły i ekstrapolować je. Umieszczasz mikro lub globalny system pozycjonowania na swoim zegarku, dzięki czemu wiesz, gdzie jesteś. Mógłbyś mieć możliwość lokalizowania siebie, wykonywania obliczeń, wykorzystywania informacji, komunikowania się.

TR: Gdzie jesteśmy, jeśli chodzi o realizowanie niektórych z tych rzeczy?
BIAŁE: Na etapie prototypów laboratoryjnych. Ludzie robili małe płyty CD, ale nie można ich używać poza laboratorium. Bardzo trudno będzie rozszerzyć metody wytwarzania, których ludzie obecnie używają do tworzenia tych małych konstrukcji, na wszystko, co naprawdę da się wyprodukować, ale tak się stanie.

TR: Jak duże jest to wyzwanie?
BIAŁE: W zasadzie mamy dowód z mikroelektroniki, że jeśli możesz zmniejszyć rzeczy, ludzie znajdą z nimi wiele ekscytujących rzeczy. W tej chwili możemy robić małe rzeczy w laboratoriach, ale nie wiemy, jak zrobić masowo naprawdę małe rzeczy w środowisku produkcyjnym. I nie wiemy, jak z nich korzystać, kiedy już je stworzymy. Dopóki ten problem produkcyjny nie zostanie rozwiązany, nie będziemy wiedzieć, jakie rzeczy można wykonać, i nie będziemy wiedzieć, jaka będzie technologia.

TR: Fotolitografia wykorzystująca światło ultrafioletowe do wytrawiania wzorów na chipach krzemowych jest dominującą technologią w produkcji mikroelektroniki w skali mikrometrowej. Ale rozumiem, nie widzisz, że ma on wielką przyszłość pod względem nanotechnologii?
BIAŁE: Fotolitografia odniosła duży sukces. Świetnie się bawiliśmy z tą technologią i są wszelkie powody, by sądzić, że będzie to trwało przez jakiś czas. Ale teraz zaczynasz się trochę cofać i mówić: cóż, trudno zejść poniżej 100 nanometrów i nie możesz budować rzeczy trójwymiarowych. To naprawdę nie działa dla zbyt wielu materiałów innych niż krzem i tym podobne. Chcielibyśmy, aby rzeczy były małe, aby były szybkie, tanie, przenośne i nie zużywały energii. Jak to zrobimy?

TR: Jakie są alternatywy?
BIAŁE: Jednym z nich są wiązki elektronów, których ucieleśnieniem jest Skalpel. [Scalpel to system opracowany w Bell Labs Lucent Technologies, który wykorzystuje wiązki elektronów do modelowania płytek krzemowych]. Innym kandydatem jest litografia rentgenowska [proces ten wykorzystuje promienie rentgenowskie do modelowania wafli]. Oba mają wiele bardzo trudnych problemów technicznych, które, jak zakładamy, będą mniej więcej dopracowane, ale czy rzeczywiście są wystarczająco tanie, to inna kwestia. A potem pojawiają się nowsze technologie, które są, jak sądzę, słusznie odległe, takie jak litografia z użyciem neutralnych atomów lub wiązek jonów. To w tej chwili prawdziwy wyścig konny o to, jakie technologie będą wykorzystywane w nanotechnologii. Ale to dopiero początek.

TR: Czy ograniczenia fotolitografii są na tyle fundamentalne, aby napędzać zupełnie nowy obszar technologii wytwarzania mikroelektroniki?
BIAŁE: Oni mogą być. Fotolitografia staje się bardzo skomplikowana i bardzo droga. W przypadku fabryk nowej generacji [obiektów do wytwarzania chipów półprzewodnikowych], które są obecnie planowane na lata po 2000 roku, koszt kapitału na fabrykę szacuje się na 3 do 10 miliardów dolarów. Jeśli chcesz uzyskać 20-procentowy zwrot z inwestycji i zainwestować 10 miliardów dolarów, ile mikrowidżetów musisz sprzedawać każdego roku przez kilka lat, kiedy ta fabryka jest najnowocześniejsza? Odpowiedź brzmi: dużo. A ludziom, którzy muszą odkładać pieniądze, to się nie podoba.

TR: Pozostaje więc pytanie, jak bardzo małe rzeczy zostaną zrobione. Jakie są inne niewiadome dotyczące przyszłości nanotechnologii?
BIAŁE: Istnieje problem polegający na tym, że urządzenia po osiągnięciu prawdziwego rozmiaru w nanoskali nie działają już zgodnie z oczekiwaniami na podstawie ekstrapolacji istniejących urządzeń. Masz nieco inne opinie na temat tego, jak dalece można ekstrapolować istniejącą technologię. Domyślam się, że można wziąć istniejące systemy i ekstrapolować je gdzieś w zakresie od 50 do 100 nanometrów. Kiedy zaczynasz zbliżać do siebie przewody, tranzystory i inne elementy, zaczynają ze sobą rozmawiać, a ten przesłuch staje się bardzo poważnym problemem. Trudno jest również kontrolować właściwości podstawowych użytych materiałów – domieszkowanego krzemu.

TR: Oprócz coraz mniejszego zmniejszania się mikroelektroniki, dużo mówi się o wykorzystaniu nanotechnologii do innych, mechanicznych zastosowań.

BIAŁE: Istnieje wiele rzeczy, od potencjalnie realnych po rzeczy, które są science fiction. Istnieje pomysł bardzo małych autonomicznych maszyn, które pływają w krwiobiegu lub coś w tym stylu. Nie widzę sposobu na zrealizowanie tego. Powodem jest to, że oprócz problemów z ich budowaniem, istnieją straszliwe problemy z zasilaniem we wszystkim, co jest systemem autonomicznym. Zanim ktokolwiek wymyśli, jak zasilać małe systemy autonomiczne, trzeba będzie dokonać naprawdę głębokiej inwencji. Mamy przykłady systemów zasilanych: na przykład żywe komórki lub organelle w komórce. Ale komórka nie jest w rzeczywistości małym przedmiotem. Komórki ssaków mają około 25 mikrometrów średnicy, a nawet komórki bakterii mają od 1 do 3 mikrometrów. Wirusy, które są znacznie mniejsze, nie są zasilane. Tak więc władza jest jedną z podstawowych kwestii. Tarcie w małych ruchomych systemach to sekunda. Produkcja jest trzecią.

TR: Czy uważasz, że niektóre z tych aplikacji zostały przereklamowane?
BIAŁE: Co Eric Drexler [K. Eric Drexler jest pracownikiem naukowym w Instytucie Produkcji Molekularnej w Palo Alto w Kalifornii; jego książka Engines of Creation pomogła spopularyzować nanotechnologię], a inni robią to skonstruowanie serii pomysłów opartych na zmniejszaniu istniejących rzeczy. Mówią, że jeśli masz dużego Rotorootera, dlaczego nie mieć małego Rotorootera?

TR: Ale wyraźnie widać, że tylko dlatego, że są mniejsze…
BIAŁE: Niekoniecznie są lepsze. Mniejsze niekoniecznie zawsze oznacza lepsze.

TR: I nie zawsze działają jako mniejsza kopia.
BIAŁE: Prawidłowy. Nie tylko niekoniecznie są lepsze, szczególnie jeśli są droższe, ale także mogą nie działać na tych samych zasadach. Co oznacza, że ​​w przypadku naprawdę małych konstrukcji prawdopodobnie musielibyśmy wymyślić nowe architektury i nowe sposoby myślenia o problemie, abyśmy mogli poradzić sobie z osobliwościami tych małych maszyn. I oczywiście jednym z interesujących pytań jest to, gdzie opłaca się robić maszyny, które są naprawdę bardzo małe?

TR: Gdybyśmy mieli tę rozmowę za pięć lub 10 lat, czy są jakieś domysły, o czym byśmy rozmawiali?
BIAŁE: Myślę, że możemy prowadzić nieco inną rozmowę. Takiej, która mniej mówi o tym, jak nanotechnologia zmieniła świat, a bardziej o tym, jak zmieniła go niedroga mikrotechnologia. W tej chwili rezerwujemy świat mikrowytwarzania struktur od kilkuset nanometrów do kilku mikronów [mikron to mikrometr, jedna milionowa metra] – dla mikroprocesorów elektronicznych i systemów komputerowych. Bardzo uzasadnione jest pytanie, co się dzieje, gdy wiele rzeczy, które są teraz wykonywane w skali centymetrowej i milimetrowej, do skali mikrometrowej i jakie nowe funkcje otrzymujesz?

TR: Co masz na myśli?
BIAŁE: Wyrażenie, którego używam, to technologia w skali mikronowej z ekonomią papieru gazetowego. Na przykład, zamiast kupować gazetę, możesz kupić kartkę papieru; tylna strona byłaby baterią, a przednia byłaby wyświetlaczem. Czytasz go, przewijasz, aby znaleźć prace referencyjne na ten temat, oglądasz animowane ilustracje, a kiedy skończysz, wyrzucasz go. Jedną z rzeczy, o których możemy mówić za 10 lat, jest to, jak elektronika w skali mikro, wykorzystująca nowe technologie, wkradła się do wszelkiego rodzaju rzeczy. Wierzę, że prawie wszystko – buty, szyby, zabawki dla dzieci, etykiety spożywcze, etykiety wysyłkowe, karty kredytowe – będzie miało elektronikę za kilka lat.

TR: Często wspominasz o biologii i systemach naturalnych. Co biologia mówi ci o nanotechnologii?
BIAŁE: Biologia tworzy wszelkiego rodzaju bardzo funkcjonalne małe struktury. Drexler mówi o małych silnikach; mamy wspaniały przykład małego motoru w biologii, który jest motorem wici u bakterii. Ten silnik naprawdę działa bardzo dobrze i wygląda bardzo podobnie do silnika. Czy możemy albo nauczyć się używać tych biologicznych rzeczy w odpowiedni sposób w naszych urządzeniach, albo lepiej zrozumieć zasady biologii, a następnie nauczyć się, jak osadzić te zasady w systemach niebiologicznych? Innym przykładem są czujniki. Wiele z tego, co dzieje się w każdym systemie biologicznym, to wyczuwanie. Siatkówka, nos, wszystko to opiera się na molekułach, które są czujnikami w nanoskali. Jak możemy wykorzystać te pomysły do ​​zbudowania sztucznych oczu i nosa?

TR: Czy biologia mówi ci coś o przyszłych wyzwaniach?
BIAŁE: Składamy się z hierarchicznego zestawu struktur i komponentów. Mamy cząsteczki na poziomie nanoskali zebrane w organelle, które mają od 10 do może 100 nanometrów, zebrane i pracujące wspólnie w komórkach, które następnie agregują w tkanki, które stają się nami. Jednym z problemów w elektronice jest to, że pracujemy tylko w dwóch skalach. Tranzystory i kolekcje tranzystorów – i to jest urządzenie. Ale aby w pełni wykorzystać nano, będziemy musieli pomyśleć o pełnej hierarchii poziomów struktury.

TR: Jakie są niektóre z większych lekcji, których nauczyły cię twoje badania w dziedzinie nanotechnologii?
BIAŁE: Jednym z nich jest pogląd, że funkcja jest często hierarchiczna i uszeregowana według priorytetów. Cząsteczki robią pewne rzeczy, obiekty o wielkości 10 nanometrów robią różne rzeczy, obiekty o wielkości 100 nanometrów robią jeszcze inne rzeczy. Aby uzyskać złożoną funkcjonalność, trzeba nauczyć się budować z małych elementów w duże obiekty, korzystając z unikalnych możliwości każdego z nich. Po drugie, istnieją zjawiska zależne od rozmiaru. Jedną z rzeczy, które robi się w dowolnej skali, jest szukanie współmierności między zjawiskiem, na które patrzysz, a obiektem. Ilekroć widzisz, że zjawisko i struktury mają podobne rozmiary, możesz zrobić ciekawe rzeczy. Po trzecie, szczególnie w skali nanometrycznej nie ma bogatszego magazynu ciekawych pomysłów i strategii niż biologia.

ukryć