Samodzielny montaż

Gdy naukowcy zaczynają próbować budować urządzenia i nowatorskie materiały w nanoskali (nanometr to jedna miliardowa metra, rozmiar kilku atomów), stają przed ogromnym wyzwaniem. Chociaż w wielu przypadkach okazuje się, że możliwe jest popychanie molekuł w celu utworzenia maleńkich struktur, a nawet działających urządzeń, wydajna masowa produkcja czegokolwiek z cechami nanoskali to zupełnie inna sprawa. Ale co by było, gdyby miliony tych nanoelementów wykonały ciężkie dźwiganie i zmontowały się w pożądane struktury, unikając stosowania drogich i skomplikowanych instrumentów produkcyjnych?

Samoorganizacja stała się jednym ze świętych Graalów nanotechnologii, a naukowcy z wielu laboratoriów pracują nad przekształceniem jej w skuteczne narzędzie do nanoinżynierii. W pewnym sensie samoorganizacja nie jest niczym nowym: biologia robi to cały czas. Od dziesięcioleci naukowcy badali chemię supramolekularną, dowiadując się nie tylko, jak cząsteczki wiążą się ze sobą, ale także jak duża liczba cząsteczek może łączyć się w grupy, tworząc struktury; w rzeczywistości koncepcja samoorganizacji w dużej mierze wyrosła z prób chemików stworzenia cząsteczek, które spontanicznie agregowałyby w określone konfiguracje, w taki sam sposób jak cząsteczki biologiczne tworzą złożone błony komórkowe.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale teraz, dzięki coraz szerszemu zrozumieniu interakcji między cząsteczkami i małymi cząstkami, naukowcy mogą zacząć przewidywać, w jaki sposób takie elementy mogą się samoorganizować w większe, użyteczne struktury, takie jak tranzystory na chipie półprzewodnikowym. Samoorganizacja zapewnia bardzo ogólną drogę do wytwarzania konstrukcji z elementów zbyt małych lub zbyt licznych, aby można je było manipulować robotami, mówi George Whitesides, chemik z Uniwersytetu Harvarda i pionier w tej dziedzinie.

Aby lepiej zrozumieć, jak działa samomontaż, Whitesides i jego współpracownicy wykazali niedawno, że selektywne pokrywanie powierzchni mikroskopijnych złotych płytek lepką warstwą organiczną może, w odpowiednich warunkach, spowodować samoorganizację tysięcy takich płytek w trójwymiarowe Struktury. Do tej pory zespół Whitesides stworzył stosunkowo duży funkcjonalny układ elektroniczny przy użyciu podobnej techniki. Następnym krokiem będzie zmniejszenie obwodu do skali mikrometrowej, tworząc z krzemu bardziej złożone trójwymiarowe struktury. Podczas gdy podzespoły elektroniczne wielkości mikrometrów nie są niczym nowym, firma Intel robi je cały czas, eksperymenty Whitesides mogą dostarczyć cennych wskazówek, jak lepiej manipulować samoorganizacją.

Sama natura dostarcza również naukowcom modelu tworzenia samoskładających się urządzeń elektronicznych. Materiałoznawca Angela Belcher z University of Texas w Austin przeanalizowała miliardy różnych białek, aby znaleźć te, które rozpoznają i wiążą się z różnymi rodzajami materiałów nieorganicznych. Na przykład jeden koniec białka może wiązać się z określoną cząsteczką metalu, a drugi koniec może przyklejać się do powierzchni półprzewodnika, takiego jak arsenek galu. Biorąc pod uwagę odpowiednie podpowiedzi, białka mogłyby kierować nanocząsteczkami materiałów nieorganicznych w celu utworzenia różnych struktur.

Zeszłej wiosny Belcher był współzałożycielem firmy o nazwie Semzyme, która planuje stworzyć bibliotekę tych bloków budulcowych za pośrednictwem białek. Mogą mieć wiele zastosowań technologicznych, np. w produkcji czujników biomedycznych, magnetycznych dysków o dużej gęstości czy mikroprocesorów.

Chemicy z laboratoriów takich jak Hewlett-Packard, University of California, Los Angeles, Yale University i Rice University również próbują opracować samoorganizujące się komputery molekularne. Jeśli jednak im się to uda, zajmie to lata.

Tymczasem, mniej ambitnie, inni badacze robią szybkie postępy w wykorzystaniu samoorganizacji do budowania coraz bardziej złożonych i coraz mniejszych trójwymiarowych struktur, które mogłyby być kompatybilne z istniejącymi urządzeniami. Na przykład, pewne cechy dysku, takie jak nośnik pamięci, można by stworzyć przy pomocy samodzielnego montażu, podczas gdy większe elementy potrzebne do połączenia urządzenia ze światem zewnętrznym byłyby wykonane przy użyciu konwencjonalnych technik. Mamy nadzieję, że samoorganizacja będzie w stanie niedrogo zastąpić niektóre etapy produkcji materiałów i urządzeń, gdzie potrzebna jest kontrola na poziomie molekularnym – mówi inżynier Christopher Murray z działu nanoskali IBM Research w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork.

Jeśli ma rację, inżynieria nano stanie się o wiele łatwiejsza.

ukryć