Nanotechnologia w liczbach

W swojej ciasnej kabinie w Nanomix, firmie zajmującej się nanotechnologią w Emeryville w Kalifornii, po drugiej stronie zatoki od San Francisco, fizyk teoretyczny Seung-Hoon Jhi przygląda się komputerowemu modelowi zbiornika paliwa wodorowego, uważnie śledząc ruch poszczególnych cząsteczek. Podnosząc temperaturę symulowanej warstwy atomów boru i azotu z zimnych 50 kelwinów do nieco mniej chłodnych 80 kelwinów, obserwuje reakcję kilku cząsteczek wodoru rozsianych po jego powierzchni. Arkusz azotku boru faluje, ale cząsteczki wodoru utrzymują się mocno. To zachęcający znak w wirtualnym eksperymencie, który mógł zaoszczędzić tygodnie lub miesiące żmudnych testów eksperymentalnych w ramach wysiłków firmy Nanomix na rzecz opracowania wydajniejszych materiałów do przechowywania wodoru do samochodów z ogniwami paliwowymi.

To oczywiście cyberdreaming. Jednak Jhi i jego koledzy z Nanomix są tak pewni prawdziwości tego skomputeryzowanego modelowania, połączonego z precyzyjnymi obliczeniami zachowania poszczególnych atomów, że wykorzystują symulacje do projektowania i testowania materiałów, których nigdy wcześniej nie wytwarzano – materiałów, których uporządkowanie w skali nanometrycznej (nanometr to miliardowa część metra) może dawać właściwości przydatne w zastosowaniach, od ultraczułych czujników, przez płaskie wyświetlacze, po ukryte powłoki do samolotów bojowych. W korytarzu, niecałe 15 metrów od boksu Jhi, eksperymentatorzy firmy pracują w laboratorium, aby zsyntetyzować najbardziej obiecujące wyniki modelowania.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Podczas gdy Nanomix jest tylko jednym z kilku niedawnych startupów, które mają nadzieję na wykorzystanie nanomateriałów, firma obstawia, że ​​ma przewagę: umiejętność wirtualnego projektowania materiałów — bez mieszania nawet zlewki — a następnie pójścia do laboratorium i ich wykonania. . Jej współzałożyciele — fizyk teoretyczny Marvin Cohen i fizyk eksperymentalny Alex Zettl, obaj z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley — współpracują nad taką alchemią od ponad dekady. Teraz mają nadzieję wykorzystać tę wiedzę jako podstawę biznesu nanotechnologicznego. Naszym celem jest wprowadzenie na rynek pierwszych działających komponentów nano, mówi dyrektor generalny Nanomix, Charles Janac.

Projektowanie materiałów na komputerach kusi badaczy przemysłowych od ponad dekady. Przynajmniej teoretycznie pomysł jest dość prosty: korzystając z zasad mechaniki kwantowej, można obliczyć zachowanie elektronów wirujących wokół atomu. Przy wystarczającej mocy obliczeniowej należy umieć wykorzystać takie obliczenia do projektowania materiału atom po atomie, wbudowując pożądane właściwości poprzez dostosowanie profilu elektronicznego. Problem w tym, że właściwości materiałów wynikają z interakcji ogromnej liczby atomów. A nawet dzisiejsze najpotężniejsze superkomputery zmagają się z obliczeniami kwantowymi obejmującymi ponad pięć czy sześćset atomów, co poważnie ogranicza możliwości projektowania nowych materiałów.

Jednak nanomateriały, które często są izolowanymi cząsteczkami – lub cząsteczkami, których właściwości wynikają z ograniczonych interakcji – stanowią znacznie łatwiejszy cel dla komputerów. Rzeczywiście, pod wieloma względami modelowanie kwantowe okazuje się idealnym sposobem na poznanie świata nano. Jak mówi James Tour, chemik i czołowy badacz nanotechnologii z Rice University w Houston, predykcyjna moc modelowania nano okazuje się niesamowita.

Nanomix wierzy, że to właśnie ta zdolność przewidywania pozwoli mu zrewolucjonizować odkrywanie nanomateriałów. Dzięki przewagi w zakresie symulacji komputerowych firma, która powstała w 2000 roku, już projektuje maleńkie czujniki gazu, które wykorzystują nanorurki węglowe – cząsteczki o szerokości zaledwie kilku nanometrów, ze ścianami o grubości atomu, aby wykrywać niebezpieczne gazy. Do końca przyszłego roku Nanomix planuje rozpocząć sprzedaż tych czujników opartych na nanorurkach do wykrywania oparów benzyny chroniących rafinerie, zakłady chemiczne i stacje rurociągów przed wyciekami. Każdy czujnik powinien kosztować 10 razy mniej niż konwencjonalny wykrywacz nieszczelności i działać przez rok na baterii zegarka. Połączone z bezprzewodowymi nadajnikami nie większymi niż znaczki pocztowe, mogą zostać rozproszone dziesiątkami tysięcy, pokrywając cały zakład przemysłowy lub wciśnięte w podatne na przecieki zawory, aby wykryć uszkodzone plomby, co nie jest możliwe w przypadku znacznie większych i droższych konwencjonalnych czujników.

W tym samym czasie Nanomix opracowuje projekty nowatorskich nanomateriałów do przechowywania paliwa wodorowego – materiałów o jeszcze większej zdolności do przechowywania wodoru niż arkusze azotku boru na ekranie Jhi. Jeśli te materiały staną się rzeczywistością, mogą radykalnie zwiększyć wydajność samochodów z ogniwami paliwowymi, czyniąc w końcu samochody napędzane paliwem wodorowym praktycznymi komercyjnie. Firma zaczęła również zastanawiać się, w jaki sposób nowatorskie nanomateriały, takie jak nanorurki, można by wykorzystać w niewielkich urządzeniach komputerowych.

Nanomateriały do ​​ogniw paliwowych i nanokomputerów prawdopodobnie potrwają lata. Jednak Nanomix wierzy, że jego plan rozpoczęcia sprzedaży czujników i innych wczesnych zastosowań nanotechnologii sprawi, że będzie to rentowny biznes na długo przed tym. Ludzie ciągle mówią, że nanotechnologia to daleka droga, i to w tym sensie, że jest to długoterminowy trend, który będzie miał ogromny wpływ na światową gospodarkę. Ale niektóre z pierwszych aplikacji są już za 18 miesięcy, przewiduje Janac.

Wyczuwanie sukcesu

Wynalezienie nowego materiału, powiedzmy nowego polimeru lub stopu metalu, nigdy nie było łatwe – i często jest raczej przypadkiem niż teoretyczną konstrukcją. Nawet w wiodących obiektach przemysłowych, takich jak centralne laboratorium badawcze firmy DuPont, w którym wynaleziono wiele z najważniejszych dzisiejszych polimerów i zaawansowanych technologicznie materiałów, proces ten jest często przedsięwzięciem przypadkowym, kierowanym bardziej instynktem eksperymentatorów niż wyliczonymi przewidywaniami. teoretycy. Jednak w nanoskali instynkty badaczy często zaczynają zawodzić, gdy władzę przejmują dziwne zasady świata kwantowego. Wkraczamy w obszary, w których nasza intuicja, często oparta na naszych wcześniejszych doświadczeniach, jest naprawdę niewystarczająca, mówi Ed Wasserman, doradca naukowy w centralnym dziale badawczo-rozwojowym firmy DuPont.

Jest to jednak miejsce, w którym teoretyczni fizycy kwantowi czują się jak w domu – królestwo, w którym mogą bawić się w boga, tworząc nowe materiały poprzez zwykłe tasowanie atomów. Jednym z tych bogów jest Cohen, współzałożyciel Nanomix, pionier w modelowaniu kwantowym. W latach 60. Cohen doszedł do wniosku, że ponieważ tylko najbardziej zewnętrzne elektrony atomu oddziałują, aby nadać materiałowi jego właściwości, możliwe jest znaczne uproszczenie obliczeń potrzebnych do symulacji, zajmując się tylko tymi elektronami. Ten matematyczny skrót zrewolucjonizował modelowanie kwantowo-mechaniczne. Jeśli wykonasz obliczenia dla wszystkich elektronów, to prawie tak, jakbyś próbował znaleźć wagę kapitana statku, ważąc statek, a następnie ważąc kapitana ze statkiem, wyjaśnia fizyk z Berkeley Steven Louie, doradca Nanomix. Zasadniczo dzięki bezpośredniemu ważeniu kapitana oprogramowanie Cohena umożliwia teraz praktyczne wykorzystanie komputera PC do szybkiego tworzenia prognoz dotyczących nanomateriałów z nowatorskimi kombinacjami właściwości elektronicznych, magnetycznych i lekkich.

Ale Cohen zdał sobie również sprawę, że takie symulacje są tak realne, jak umiejętności eksperymentatorów na końcu korytarza. Tak więc na początku lat 90. zaczął współpracować z kolegami z Berkeley, takimi jak Alex Zettl, którzy mieli doświadczenie w syntezie nowatorskich materiałów. Jednym z wczesnych sukcesów było odkrycie i faktyczna synteza nanorurek azotku boru w 1994 roku. Cohen, zastanawiając się nad strukturą atomową arkuszy azotku boru, zdał sobie sprawę, że powinno być możliwe zwijanie arkuszy w celu utworzenia cylindrycznych cząsteczek. Inni badacze wykonali ostatnio podobne rurki molekularne z węgla, ale nikt nie rozszerzył tej techniki na bor i azot. Cohen i jego uczniowie uruchomili swoje modele i obliczyli, że nanorurki azotku boru byłyby nie tylko stabilne, ale także wykazywałyby interesujące właściwości elektryczne. W ciągu roku eksperymentator Zettl znalazł sposób na wyprodukowanie nowych nanorurek i potwierdził przewidywane właściwości.

Na pewno fajna naukowa sztuczka, ale jak zamienić ten rodzaj czarodziejstwa fizyki w biznes?

Bezpośrednim wyzwaniem dla naukowców z Nanomix jest udoskonalenie czujników, które Janac obiecał rozpocząć w przyszłym roku. Do tej pory teoretycy Nanomix zidentyfikowali określone typy nanorurek, które reagują najwrażliwiej na węglowodory, które mogą przenikać do rafinerii, zakładów chemicznych i rurociągów. Przewidywali również, w jaki sposób każdy gaz zmieni przewodność w rurkach, zapewniając ślad napięcia, który go zidentyfikuje. Teraz eksperymentatorzy muszą wymyślić, jak masowo produkować urządzenia oparte na nanorurkach. Muszą też dostarczyć produkt wystarczająco niezawodny, aby chronić życie operatorów instalacji.

Taki rodzaj opracowania nowego materiału może z łatwością zająć dekadę. Ale jeśli Nanomix – wykorzystując swoje modelowanie i wiedzę teoretyczną do skrócenia procesu – może wykonać tę sztuczkę w ciągu mniej więcej przyszłego roku, zweryfikuje swoją strategię dotyczącą wynalazków nano. Otworzy też drzwi do całego świata czujników. Na początek Nanomix powinien być w stanie dostosować czujniki nanorurek do wykrywania niemal każdego gazu, od tlenku węgla po związki używane w broni chemicznej. Firma sponsoruje badania akademickie, których celem jest dostrojenie nanorurek do wykrywania biochemicznych zapachów choroby, mierzenie poziomu insuliny u diabetyków lub wykrywanie antygenów wskazujących na infekcję. Jak twierdzi Janac, nanorurki to najlepsza platforma wykrywania. Nie potrzebujesz więcej niż czułość na pojedynczą cząsteczkę, twoje zużycie energii będzie wynosić nanowaty, a pod względem rozmiaru nie możesz być mniejszy – przynajmniej w dającej się przewidzieć przyszłości – niż nanorurka. Uważamy, że dzięki tej architekturze zrewolucjonizujemy branżę czujników.

Nanodolary

Jednak wyzwania techniczne nie są jedynymi naciskami, przed którymi stoi Nanomix. Firma nie tylko ściga się, aby wprowadzić nanoprodukt na rynek, ale musi pokonać konkurencję w stosunku do stosunkowo niewielkiej puli funduszy venture capital dostępnych dla startupów nanotechnologicznych. Wśród wielu ekspertów może rosnąć podekscytowanie perspektywami nanotechnologii, ale skłonność inwestorów do inwestowania pieniędzy w wysoce spekulacyjne technologie nie rośnie tak szybko. Oznacza to, że Nanomix, podobnie jak wiele innych młodych firm nanotechnologicznych, musi walczyć nie tylko o odpowiedź na zniechęcające naukowe pytania, ale po prostu o przetrwanie.

Firma Alta Partners z siedzibą w San Francisco przekazała Nanomix fundusze na nasiona w 2000 roku, a od ubiegłego roku Nanomix zebrał 4,5 miliona dolarów. Ale od tego czasu trudno było znaleźć dodatkowe fundusze, ponieważ inwestorzy venture capital stali się ostrożni po zeszłorocznym krachu gospodarczym. To było długie mozolne nakłanianie innych ludzi do inwestowania, mówi partner Alta, Peter Schwartz.

Jak na ironię, to właśnie mocne strony Nanomix – silny akademicki rodowód i wiedza teoretyczna – mogą przeszkodzić firmie w oczach potencjalnych inwestorów nieufnych wobec dziedziny, w której wyniki często brzmią bardziej jak podstawowe badania niż opłacalne produkty. A grono teoretyków Nanomixa sprawia, że ​​szczególnie łatwo pomylić firmę z podstawowym laboratorium badawczym.

Presja sprawiła, że ​​Nanomix położył krótkoterminowy nacisk na rozwój produktów kosztem wysiłków firmy w zakresie fizyki teoretycznej. Ale chociaż Cohen może zaakceptować natychmiastową konieczność wyprowadzenia produktu na rynek w celu zdobycia wsparcia finansowego, pozostaje oddany swojemu marzeniu: firmie, która wynajduje i komercjalizuje nanomateriały, łącząc modelowanie kwantowe i teorię ze zręcznymi eksperymentami. To sen wypełniony egzotycznymi materiałami, ograniczony jedynie prawami fizyki i sprytem jej praktyków.

Podobnie jak wielu naukowców zajmujących się nanotechnologią, Cohen i jego koledzy naukowi z Nanomix są przekonani, że nanomateriały będą miały zastosowanie nie tylko w wykrywaniu i przechowywaniu wodoru, ale także w urządzeniach elektronicznych tysiąc razy mniejszych niż dzisiejsze tranzystory krzemowe, umożliwiając ultraszybkie, ultramałe komputery. Liliputowskie obwody z miliardami nanoelementów mogą być jeszcze za lata, ale naukowcy z Nanomix już myślą o nanomateriałach, które mogłyby je zrealizować.

ukryć