Nanotehnoloģijas: Iespējamā māksla

Džordža M. Vaitsaidsa darba līnijā lietas tiek mērītas nanometros. Nanometrs ir viena miljardā daļa no metra, un, lai saprastu, cik tas ir mazs, aizmirstiet par analoģiju ar cilvēka matu platumu vai adatas galvu. Nanomērogam nav nekāda sakara ar pazīstamiem priekšmetiem. Jums jādomā par vietu, kur objekti, tostarp ierīces, ar kurām strādā Vaitsaids un citi, ir tikai nedaudz lielāki par atomiem.

Lietu veidošanu tādā mērogā sauc par nanotehnoloģiju. Tā ir strauji augoša joma ar milzīgu potenciālu; mazas ierīces varētu revolucionizēt skaitļošanu, informācijas glabāšanu, sakarus un daudzas neparedzētas jomas. Taču tā ir arī joma, kas ir pakļauta pārspīlētiem solījumiem, ar spekulācijām par nanomašīnām, kuras, visticamāk, var atrast Star Trek, nevis laboratorijā.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1998. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Izcils ķīmiķis un materiālu zinātnieks Vaitsaids gadiem ilgi ir pētījis šo ļoti mazo pasauli. Pēc gandrīz 20 gadiem MIT, Vaitsaids pievienojās Hārvardas Universitātes ķīmijas nodaļai 1982. gadā. Hārvardas pētnieks ir nodrošinājis mikro- un nanoražošanu, izmantojot dažas no tās visnoderīgākajām būvniecības metodēm. Bet Whitesides arī labi apmāca nanopasaules realitātes pārbaudi. Neskatoties uz viņa acīmredzamo entuziasmu par šo jomu, viņš vēlas definēt, kas ir un kas nav iespējams.

BĒRNI Vecākais redaktors Deivids Rotmans nesen apmeklēja Vaitsaidsu, Hārvardas ķīmijas profesoru Mallinckrodt savā Kembridžas birojā, lai noskaidrotu faktus no zinātniskās fantastikas nanotehnoloģijās.

TR: Sāksim ar pamatjautājumu. Cik mazs var izmantot nanotehnoloģiju?
BALTĀS PUSES: Standarta definīcija ir funkcionālas struktūras, kuru elementu izmēri ir mazāki par 100 nanometriem, bet es domāju, ka skaitlim, iespējams, vajadzētu būt 50 nanometriem vai mazākam.

TR: Kāpēc nanotehnoloģijas ir tik intriģējošas?
BALTĀS PUSES: Tas ir mikrotehnoloģijas paplašinājums. Un mikrotehnoloģija ir datoru komponentu izgatavošanas pamatā, un tas ir ļoti liels darījums. Mikrotehnoloģijas jau gadiem ilgi ir pieņēmušas domu, ka lietu samazināšana sniedz priekšrocības — tās ir lētākas, jūs iegūstat lielāku pārnesamību un lielāku veiktspēju par vienu dolāru. Ideja ir tāda, ka, tā kā mazākais ir strādājis ar mikroelektroniku, jūs varat turpināt šo tendenci, pārsniedzot pašreizējos mikroelektronikas izmērus, un šī sarukšana novedīs pie pasaules, ko sauc par nano.

TR: Kādas konkrētas tehnoloģijas varētu iznākt no šāda darba?
BALTĀS PUSES: Labs piemērs ir informācijas glabāšana. Šobrīd CD diska vietas izmērs ir aptuveni 10 kvadrātmikrometri. Cilvēki, īpaši IBM ļaudis, ir izgatavojuši kompaktdisku ekvivalentus, kuros rotējošā diskā tiek izmantotas bedres, taču tagad bedrīšu izmērs ir 50 nanometri. Rokas pulksteņa izmērā jūs varētu iegūt līdzvērtīgu varbūt 1000 kompaktdisku. Tas sāk tuvoties savai dzīvei nepieciešamās uzziņu bibliotēkas daļai. Tas rada interesantus jautājumus: kas notiek, ja jūs varat ievietot visu informāciju, kas jums nepieciešama lielai daļai savas dzīves, savā rokas pulkstenī, nevis faktiski to jāapgūst? Tā ir viena no idejām, kas nedaudz maina priekšstatu par to, kā būtu jāvada dzīve. Jūs varat izmantot šīs idejas un ekstrapolēt tās. Jūs uzliekat savam rokas pulkstenim mikro vai globālās pozicionēšanas sistēmu, lai zinātu, kur atrodaties. Jums varētu būt iespēja noteikt savu atrašanās vietu, veikt aprēķinus, izmantot informāciju, sazināties.

TR: Kur mēs esam, lai faktiski realizētu dažas no šīm lietām?
BALTĀS PUSES: Laboratorijas prototipu stadijā. Cilvēki ir izgatavojuši mazus kompaktdiskus, taču tos nevar izmantot ārpus laboratorijas. Būs ļoti grūti paplašināt ražošanas metodes, ko cilvēki tagad izmanto šo mazo konstrukciju izgatavošanai, uz visu, kas patiešām ir ražojams, taču tas notiks.

TR: Cik liels izaicinājums tas ir?
BALTĀS PUSES: Mums ir principā mikroelektronikas demonstrācija, ka, ja jūs varat padarīt lietas mazākas, cilvēki atradīs daudz aizraujošu lietu, ko ar tām darīt. Šobrīd mēs varam izgatavot mazas lietas laboratorijās, bet mēs nezinām, kā masveidā izgatavot patiešām mazas lietas ražošanas vidē. Un mēs nezinām, kā tos izmantot, kad tos esam izveidojuši. Kamēr šī ražošanas problēma nebūs atrisināta, mēs nezinām, kādas lietas var izgatavot, un mēs nezinām, kāda būs tehnoloģija.

TR: Fotolitogrāfija, kas izmanto ultravioleto gaismu, lai iegravētu rakstus uz silīcija mikroshēmām, ir dominējošā tehnoloģija mikroelektronikas izgatavošanā mikrometru mērogā. Bet, es saprotu, jūs neredzat, ka tai ir liela nākotne nanotehnoloģiju ziņā?
BALTĀS PUSES: Fotolitogrāfija ir bijusi ļoti veiksmīga. Mēs esam lieliski izmantojuši šo tehnoloģiju, un ir pamats domāt, ka tas kādu laiku turpināsies. Bet tagad jūs sākat mazliet atkāpties un sakāt: labi, ir grūti pazemināties zem 100 nanometriem, un jūs nevarat izveidot 3-D lietas. Tas tiešām nedarbojas pārāk daudziem materiāliem, izņemot silīciju un tamlīdzīgus materiālus. Mēs vēlētos padarīt lietas mazas, lai tās būtu ātras un lētas, pārnēsājamas un nepatērētu enerģiju. Kā mēs to darām?

TR: Kādas ir dažas no alternatīvām?
BALTĀS PUSES: Viens no tiem ir elektronu stari, kuru iemiesojums ir skalpelis. [Skalpelis ir sistēma, kas izstrādāta uzņēmumā Lucent Technologies Bell Labs, kas izmanto elektronu starus, lai modelētu silīcija plāksnes]. Vēl viens pretendents ir rentgenstaru litogrāfija [šajā procesā plāksnīšu veidošanai izmanto rentgenstarus]. Abiem ir daudz ļoti sarežģītu tehnisku problēmu, kuras, mūsuprāt, vairāk vai mazāk tiks atrisinātas, bet vai tie tiešām ir pietiekami lēti, tas ir cits jautājums. Un tad nāk līdzi jaunākas tehnoloģijas, kuras, manuprāt, ir likumīgi garas, piemēram, litogrāfija, izmantojot neitrālus atomus vai jonu starus. Šobrīd tās ir īstas zirgu skriešanās sacīkstes par to, kuras tehnoloģijas tiks izmantotas nanotehnoloģijās. Bet tas ir tikai sākums.

TR: Vai fotolitogrāfijas ierobežojumi ir pietiekami būtiski, lai virzītu pilnīgi jaunu mikroelektronikas ražošanas tehnoloģiju jomu?
BALTĀS PUSES: Tie varētu būt. Fotolitogrāfija kļūst ļoti sarežģīta un ļoti dārga. Jaunās paaudzes rūpnīcām [pusvadītāju mikroshēmu izgatavošanas iekārtas], kas pašlaik tiek plānotas 2000. gadam, kapitāla izmaksas uz vienu ražotni tiek lēstas no 3 līdz 10 miljardiem USD. Ja vēlaties 20 procentu atdevi no ieguldījumiem un ieguldāt 10 miljardus ASV dolāru, cik daudz mikrologrīku jums ir jāpārdod katru gadu dažu gadu laikā, līdz tas ir vismodernākais? Atbilde ir, daudz. Un cilvēkiem, kuriem ir jāiegulda nauda, ​​tas nepatīk.

TR: Tāpēc joprojām paliek jautājums, cik ļoti mazas lietas tiks izgatavotas. Kādi ir citi nezināmie jautājumi par nanotehnoloģiju nākotni?
BALTĀS PUSES: Pastāv problēma, ka ierīces, sasniedzot patieso nanomēroga izmēru, vairs nedarbojas, kā paredzēts, pamatojoties uz esošo ierīču ekstrapolācijām. Jūs saņemat nedaudz atšķirīgus viedokļus par to, cik tālu esošās tehnoloģijas var ekstrapolēt. Mans minējums ir tāds, ka var izmantot esošās sistēmas un ekstrapolēt tās kaut kur 50 līdz 100 nanometru reģionā. Kad jūs sākat tuvināt vadus, tranzistorus un citus komponentus, tie sāk runāt viens ar otru, un šī šķērsruna kļūst par ļoti nopietnu problēmu. Arī izmantoto pamatmateriālu – leģēta silīcija – īpašības kļūst grūti kontrolējamas.

TR: Papildus tam, ka mikroelektronika kļūst arvien mazāka un mazāka, ir daudz runāts par nanotehnoloģiju izmantošanu citiem, mehāniskiem, lietojumiem.

BALTĀS PUSES: Ir daudz lietu, kas svārstās no potenciāli reālām līdz lietām, kas ir zinātniskā fantastika. Ir ideja par ļoti mazām autonomām mašīnām, kas peld asinsritē vai tamlīdzīgi. Es neredzu iespēju tos realizēt. Iemesls ir tāds, ka, neskaitot problēmas to veidošanā, visās autonomās sistēmās pastāv šausminošas problēmas ar jaudu. Pirms kāds izdomās, kā darbināt mazas autonomas sistēmas, ir jābūt patiesi dziļam izgudrojumam. Mums ir darbināmu sistēmu piemēri: piemēram, dzīvas šūnas vai organellas šūnā. Bet šūna patiesībā nav mazs objekts. Zīdītāju šūnu diametrs ir aptuveni 25 mikrometri, un pat baktēriju šūnas ir no 1 līdz 3 mikrometriem. Vīrusi, kas ir daudz mazāki, netiek darbināti. Tātad jauda ir viens no pamatjautājumiem. Berze mazās kustīgās sistēmās ir sekunde. Ražošana ir trešā daļa.

TR: Vai jūs domājat, ka dažas no šīm lietojumprogrammām ir pārspīlētas?
BALTĀS PUSES: Ko Ēriks Drekslers [K. Ēriks Drekslers ir zinātniskais līdzstrādnieks Molekulārās ražošanas institūtā Palo Alto, Kalifornijā; viņa grāmata “Radīšanas dzinēji” palīdzēja popularizēt nanotehnoloģiju], bet citi ir konstruējuši vairākas idejas, kuru pamatā ir esošo lietu samazināšana. Viņi saka, ja jums ir liels Rotorooter, kāpēc gan lai jums nebūtu mazs Rotorooter?

TR: Bet tas noteikti ir gadījums, kad tikai tāpēc, ka tie ir mazāki…
BALTĀS PUSES: Tie ne vienmēr ir labāki. Mazāks ne vienmēr ir labāks.

TR: Un tie ne vienmēr darbojas kā tikai mazāka kopija.
BALTĀS PUSES: Taisnība. Tie ne tikai ne vienmēr ir labāki, jo īpaši, ja tie ir dārgāki, bet arī var nedarboties, izmantojot tos pašus principus. Tas nozīmē, ka patiešām mazām konstrukcijām mums, iespējams, būtu jāizgudro jaunas arhitektūras un jauni domāšanas veidi par problēmu, lai mēs varētu tikt galā ar šo mazo mašīnu īpatnībām. Un, protams, viens no interesantajiem jautājumiem ir, kur būs vērts piepūlēties, lai izgatavotu mašīnas, kas patiešām ir ļoti mazas?

TR: Ja mums būtu šī saruna pēc pieciem vai desmit gadiem, vai ir kādi minējumi, par ko mēs runātu?
BALTĀS PUSES: Es domāju, ka mums varētu būt nedaudz atšķirīga saruna. Tāda, kas ir mazāka par to, kā nanotehnoloģija ir mainījusi pasauli, un vairāk par to, kā lētā mikrotehnoloģija to ir mainījusi. Pašlaik mēs rezervējam mikrofabriku izgatavošanas struktūras no vairākiem simtiem nanometru līdz pāris mikroniem [mikrons ir mikrometrs, viena miljonā daļa no metra] — elektroniskajiem mikroprocesoriem un datorsistēmām. Ir ļoti pamatots jautājums, kas notiek, ja daudzas lietas, kas tagad tiek izgatavotas centimetru un milimetru mērogā, tiek paplašinātas līdz mikrometru skalai, un kādas jaunas funkcijas jūs iegūstat?

TR: Kas tev ir prātā?
BALTĀS PUSES: Frāze, ko izmantoju, ir mikronu mēroga tehnoloģija ar avīžpapīra ekonomiku. Piemēram, tā vietā, lai iegādātos avīzi, jūs varat iegādāties papīra lapu; tā aizmugurē būtu akumulators, bet priekšējā pusē būtu displejs. Jūs to izlasiet, ritiniet, lai tajā atrastu atsauces darbus, skatiet animētas ilustrācijas un, kad esat pabeidzis, izmetat to. Viena no lietām, par ko mēs varētu runāt pēc 10 gadiem, ir tas, kā mikronu mēroga elektronika, izmantojot jaunas tehnoloģijas, ir iekļuvusi visās lietās. Es uzskatu, ka gandrīz viss — apavi, logi, bērnu rotaļlietas, pārtikas preču etiķetes, piegādes etiķetes, kredītkartes — pēc dažiem gadiem būs elektronika.

TR: Jūs bieži pieminat bioloģiju un dabas sistēmas. Ko bioloģija stāsta par nanotehnoloģiju?
BALTĀS PUSES: Bioloģija veido visa veida ļoti funkcionālas mazas struktūras. Drekslers runā par maziem motoriem; mums ir lielisks piemērs mazam motoram bioloģijā, kas ir baktēriju karogs. Šis motors patiešām darbojas ļoti labi, un tas patiesībā izskatās pēc motora. Vai mēs varam iemācīties šīs bioloģiskās lietas kaut kādā piemērotā veidā izmantot savās ierīcēs, vai arī labāk izprast bioloģijas principus un pēc tam iemācīties šos principus iestrādāt nebioloģiskās sistēmās? Vēl viens piemērs ir sensori. Daudz no tā, kas tiek darīts jebkurā bioloģiskajā sistēmā, ir jūtams. Tīklene, deguns, tas viss ir atkarīgs no molekulām, kas ir nanomēroga sensori. Kā mēs varam izmantot šīs idejas, lai izveidotu mākslīgās acis un degunus?

TR: Vai bioloģija kaut ko stāsta par gaidāmajiem izaicinājumiem?
BALTĀS PUSES: Mēs sastāvam no hierarhiskas struktūru un komponentu kopas. Mums ir molekulas nanomērogā, kas savāktas organellās, kuru izmērs ir no 10 nanometriem līdz varbūt 100 nanometriem, kas savāktas un kolektīvi darbojas šūnās, kas pēc tam agregējas audos, kas kļūst par mums. Viena no elektronikas problēmām ir tā, ka mēs strādājam tikai divos mērogos. Tranzistori un tranzistoru kolekcijas — un tā ir ierīce. Bet, lai pilnībā izmantotu nano priekšrocības, mums būs jādomā par šo pilno struktūras līmeņu hierarhiju.

TR: Kādas ir dažas no lielākajām mācībām, ko jums ir iemācījuši jūsu pētījumi nanotehnoloģiju jomā?
BALTĀS PUSES: Viens no tiem ir uzskats, ka funkcija bieži ir hierarhiska un prioritāra. Molekulas dara noteikta veida lietas, objekti, kas ir 10 nanometri, dara noteikta veida lietas, objekti, kas ir 100 nanometri, dara vēl citas dažādas lietas. Sarežģītai funkcionalitātei ir jāiemācās, kā no maziem gabaliņiem veidot lielus objektus, izmantojot katra unikālās iespējas. Otrais ir tas, ka ir parādības, kas ir raksturīgas izmēram. Viena no lietām, ko var darīt jebkurā mērogā, ir meklēt samērojamību starp fenomenu, kuru skatāties, un objektu. Ikreiz, kad redzat, ka parādībai un konstrukcijām ir līdzīgi izmēri, varat darīt interesantas lietas. Trešā lieta ir tāda, ka īpaši nanometru skalai nav bagātākas interesantu ideju un stratēģiju krājums kā bioloģija.

paslēpties