Nanotehnoloģijas pēc skaitļiem

Savā šaurajā kabīnē Nanomix, nanotehnoloģiju uzņēmumā Emerivilā, Kalifornijā, tieši pāri līcim no Sanfrancisko, teorētiskais fiziķis Seungs-Hūns Dži pēta ūdeņraža degvielas tvertnes datormodeli, rūpīgi izsekojot atsevišķu molekulu kustībai. Paaugstinot simulētas bora un slāpekļa atomu loksnes temperatūru no vēsiem 50 kelviniem uz nedaudz mazāk vēsiem 80 kelviniem, viņš vēro saujas ūdeņraža molekulu reakciju, kas iezīmē tās virsmu. Bora nitrīda loksne viļņojas, tomēr ūdeņraža molekulas turas ātri. Tā ir iepriecinoša zīme virtuālā eksperimentā, kas, iespējams, ir ietaupījis nedēļas vai mēnešus ilgā rūpīgā eksperimentālajā testēšanā Nanomix centienos izstrādāt efektīvākus ūdeņraža uzglabāšanas materiālus degvielas šūnu automašīnām.

Tas, protams, ir kibersapņošana. Bet Dži un viņa Nanomix kolēģi ir tik pārliecināti par šīs datorizētās modelēšanas patiesumu, kas iegūta no precīziem atsevišķu atomu uzvedības aprēķiniem, ka viņi izmanto simulācijas, lai izstrādātu un pārbaudītu materiālus, kas nekad iepriekš nav izgatavoti, izmantojot materiālus, kuru pasūtīšana. nanometru mērogā (nanometrs ir miljardā daļa no metra) var radīt īpašības, kas ir noderīgas lietojumos, sākot no ultrajutīgiem sensoriem līdz plakanā paneļa displejiem un beidzot ar slepeniem pārklājumiem kara lidmašīnām. Gaitenī, mazāk nekā 15 metrus no Dži kabīnes, uzņēmuma eksperimentālisti strādā laboratorijā, lai sintezētu daudzsološākos modelēšanas rezultātus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2002. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Lai gan Nanomix ir tikai viens no vairākiem nesenajiem jaunizveidotajiem uzņēmumiem, kas cer izmantot nanomateriālus, uzņēmums cer, ka tam ir priekšrocības: prasme gan praktiski noformēt materiālus, tik daudz nemaisot vārglāzi, gan pēc tam doties uz laboratoriju un izgatavot tos. . Tās līdzdibinātāji – teorētiskais fiziķis Mārvins Koens un eksperimentālais fiziķis Alekss Zetls, abi no Kalifornijas Universitātes Bērklijā – ir sadarbojušies šādas alķīmijas izstrādē vairāk nekā desmit gadus. Tagad viņi cer izmantot šīs zināšanas kā nanotehnoloģiju biznesa pamatu. Mūsu mērķis ir panākt, lai tirgū būtu pirmie darbojošie nano komponenti, saka Nanomix izpilddirektors Čārlzs Janaks.

Materiālu projektēšana datoros ir vilinājusi rūpniecības pētniekus vairāk nekā desmit gadus. Vismaz teorētiski ideja ir pietiekami vienkārša: izmantojot kvantu mehānikas noteikumus, ir iespējams aprēķināt elektronu uzvedību, kas virpuļo ap atomu. Ņemot vērā pietiekamu skaitļošanas jaudu, šādus aprēķinus vajadzētu izmantot, lai projektētu materiālu atomu pēc atoma, veidojot vēlamās īpašības, pielāgojot elektronisko profilu. Problēma ir tāda, ka materiālu īpašības izriet no milzīga skaita atomu mijiedarbības. Un pat mūsdienu jaudīgākie superdatori cīnās ar kvantu aprēķiniem, kuros ir iesaistīti vairāk nekā pieci vai seši simti atomu, ievērojami ierobežojot spēju izstrādāt jaunus materiālus.

Taču nanomateriāli, kas bieži vien ir izolētas molekulas vai molekulas, kuru īpašības izriet no ierobežotas mijiedarbības, padara datorus daudz vieglāku mērķi. Patiešām, daudzos veidos kvantu modelēšana izrādās ideāls veids, kā izpētīt nano pasauli. Nano modelēšanas prognozēšanas spējas, saka Džeimss Tūrs, ķīmiķis un vadošais nanotehnoloģiju pētnieks no Raisa universitātes Hjūstonā, izrādījies milzīgs.

Nanomix uzskata, ka tieši šī prognozēšanas spēja ļaus tai mainīt nanomateriālu atklāšanu. Pateicoties datorsimulāciju sākumam, uzņēmums, kas savu darbību sāka 2000. gadā, jau izstrādā mazus gāzes sensorus, kas izmanto oglekļa nanocaurules — tikai dažus nanometrus platas molekulas, kuru sieniņas ir atoma biezas, lai noteiktu bīstamas gāzes. Līdz nākamā gada beigām Nanomix plāno sākt pārdot šos uz nanocaurulēm balstītus sensorus, lai atklātu benzīna tvaikus aizsargājošas naftas pārstrādes rūpnīcas, ķīmiskās rūpnīcas un cauruļvadu stacijas no noplūdēm. Katram sensoram vajadzētu maksāt 10 reizes mazāk nekā parastajam noplūdes detektoram un gadu darboties ar pulksteņa bateriju. Savienoti ar bezvadu raidītājiem, kas nav lielāki par pastmarkām, tos var izkaisīt desmitiem tūkstošu, nosedzot rūpniecisko iekārtu, vai iespiest vārstos, kuros ir iespējama noplūde, lai novērstu bojātos blīvējumus, kas nav iespējams ar daudz lielākiem un dārgākiem parastajiem sensoriem.

Tajā pašā laikā Nanomix izstrādā projektus jauniem nanomateriāliem ūdeņraža degvielas uzglabāšanas materiāliem ar vēl lielāku spēju uzglabāt ūdeņradi nekā bora nitrīda loksnēm uz Jhi ekrāna. Ja šie materiāli kļūs par realitāti, tie varētu ievērojami palielināt degvielas šūnu automobiļu veiktspēju, beidzot padarot automašīnas, kas darbojas ar ūdeņraža degvielu, komerciāli praktiskas. Uzņēmums ir arī sācis apdomāt, kā jaunus nanomateriālus, piemēram, nanocaurules, varētu izmantot mazās skaitļošanas ierīcēs.

Kurināmā elementu un nanodatoru nanomateriālu izstrāde, visticamāk, prasīs vairākus gadus. Taču Nanomix uzskata, ka tā plāns sākt pārdot sensorus un citus agrīnus nanotehnoloģiju lietojumus padarīs to par dzīvotspējīgu biznesu ilgi pirms tam. Cilvēki nemitīgi saka, ka nanotehnoloģija ir tāls ceļš, un tas ir tādā nozīmē, ka tā ir ilgtermiņa tendence, kam būs milzīga ietekme uz pasaules ekonomiku. Bet daži no agrīnajiem pieteikumiem ir tikai 18 mēneši, prognozē Janac.

Veiksmes sajūta

Jauna materiāla, teiksim, jauna polimēra vai metāla sakausējuma, izgudrošana nekad nav bijusi viegla, un bieži vien tas ir vairāk nopietns, nevis teorētisks dizains. Pat tādās vadošajās rūpnieciskajās iekārtās kā DuPont centrālajā pētniecības laboratorijā, kas ir izgudrojusi daudzus mūsdienu svarīgākos polimērus un augsto tehnoloģiju materiālus, process bieži vien ir neveiksmīgs pasākums, ko vairāk nosaka eksperimentālistu instinkti, nevis aprēķinātās prognozes. teorētiķi. Taču nanomērogā pētnieku instinkti nereti sāk pievilt, jo savādi kvantu pasaules noteikumi pārņem. Mēs nonākam jomās, kurās mūsu intuīcija, kas bieži balstās uz mūsu iepriekšējo pieredzi, patiešām ir diezgan nepilnīga, saka Eds Vasermans, DuPont centrālās pētniecības un izstrādes padomnieks zinātnes jomā.

Tomēr tā ir vieta, kur teorētiskie kvantu fiziķi jūtas kā mājās — valstība, kur viņi var spēlēt dievu, radot jaunus materiālus, vienkārši sajaucoties ap atomiem. Viens no šiem dieviem ir Nanomix līdzdibinātājs Koens, kvantu modelēšanas pionieris. Sešdesmitajos gados Koens saprata, ka, tā kā mijiedarbojas tikai atoma attālākie elektroni, piešķirot materiālam tā īpašības, ir iespējams ievērojami vienkāršot simulācijām nepieciešamos aprēķinus, strādājot tikai ar šiem elektroniem. Šis matemātiskais saīsne radīja revolūciju kvantu mehāniskajā modelēšanā. Ja veicat visu elektronu aprēķinu, tas ir gandrīz kā mēģināt atrast kuģa kapteiņa svaru, nosverot kuģi un pēc tam nosverot kapteini kopā ar kuģi, skaidro Bērklija fiziķis Stīvens Lūijs, Nanomix padomnieks. Būtībā tieši nosverot kapteini, Koena programmatūra tagad ļauj praktiski izmantot datoru, lai ātri izstrādātu prognozes par nanomateriāliem ar jaunām elektronisko, magnētisko un gaismas vadāmības īpašību kombinācijām.

Taču Koens arī saprata, ka šādas simulācijas ir tik reālas, cik reālas ir eksperimentālistu prasmes gaitenī. Tātad 90. gadu sākumā viņš sāka sadarboties ar Bērklija kolēģiem, piemēram, Aleksu Zetlu, kuriem bija pieredze jaunu materiālu sintezēšanā. Bora nitrīda nanocauruļu atklāšana un faktiskā sintēze 1994. gadā bija viens no agrīnajiem panākumiem. Koens, apdomājot bora nitrīda lokšņu atomu struktūru, saprata, ka vajadzētu būt iespējai loksnes sarullēt, veidojot cilindriskas molekulas. Citi pētnieki nesen bija izgatavojuši līdzīgas molekulārās caurules no oglekļa, taču neviens nebija paplašinājis šo metodi līdz boram un slāpeklim. Koens un viņa studenti palaida savus modeļus un aprēķināja, ka bora nitrīda nanocaurules būs ne tikai stabilas, bet arī uzrādīs interesantas elektriskās īpašības. Gada laikā eksperimentālists Zettls bija atradis veidu, kā izgatavot jaunās nanocaurules, un apstiprināja paredzētās īpašības.

Labs zinātnisks triks, protams, bet kā pārvērst šāda veida fizikas burvību biznesā?

Nanomix pētnieku tūlītējais izaicinājums ir pilnveidot sensorus, kurus Janac ir solījis sākt pārdot nākamgad. Līdz šim Nanomix teorētiķi ir identificējuši konkrētus nanocauruļu veidus, kas visjutīgāk reaģētu uz ogļūdeņražiem, kas var iekļūt rafinēšanas rūpnīcās, ķīmiskajās rūpnīcās un cauruļvados. Viņi arī ir paredzējuši, kā katra gāze mainīs vadītspēju caur caurulēm, nodrošinot sprieguma nospiedumu, kas to identificētu. Tagad eksperimentālistiem ir jāizdomā, kā masveidā ražot uz nanocaurulēm balstītas ierīces. Viņiem ir jāpiegādā pietiekami uzticams produkts, lai aizsargātu iekārtu operatoru dzīvības.

Šāda veida jauna materiāla izstrāde var viegli aizņemt desmit gadus. Bet, ja Nanomix, izmantojot savu modelēšanu un teorētiskās zināšanas, lai saīsinātu procesu, var realizēt triku tuvākā gada laikā, tas apstiprinās savu nano izgudrošanas stratēģiju. Tas arī pavērs durvis visai sensoru pasaulei. Sākumā Nanomix jāspēj pielāgot nanocauruļu sensorus, lai tie izšņauktu gandrīz jebkuru gāzi, sākot no oglekļa monoksīda un beidzot ar savienojumiem, ko izmanto ķīmiskajos ieročos. Un uzņēmums sponsorē akadēmiskos pētījumus, kuru mērķis ir noregulēt nanocaurules, lai uztvertu slimības bioķīmiskos vēsmas, izmērītu insulīna līmeni diabēta slimniekiem vai atklātu antigēnus, kas norāda uz infekciju. Nanocaurules ir labākā sensoru platforma, apgalvo Janac. Jums nav nepieciešams vairāk par vienas molekulas jutību, jūsu enerģijas patēriņš būs nanovati, un izmēra ziņā jūs nevarat kļūt mazāks par nanocauruli — vismaz tuvākajā nākotnē. Mēs domājam, ka ar šo arhitektūru mainīsim sensoru biznesu.

Nano dolāri

Taču tehniskie izaicinājumi nav vienīgais spiediens, ar ko saskaras Nanomix. Uzņēmums ne tikai sacenšas, lai nanoprodukts tiktu laists tirgū, bet arī jāpārspēj salīdzinoši mazā riska kapitāla finansējuma kopa, kas pieejama nanotehnoloģiju jaunizveidotiem uzņēmumiem. Daudzu ekspertu vidū var pieaugt satraukums par nanotehnoloģiju perspektīvām, taču investoru vēlme nogremdēt naudu ļoti spekulatīvās tehnoloģijās aug ne tuvu tik strauji. Tas nozīmē, ka Nanomix, tāpat kā vairākiem citiem jauniem nanotehnoloģiju uzņēmumiem, ir jācīnās ne tikai, lai atbildētu uz biedējošiem zinātniskiem jautājumiem, bet arī vienkārši izdzīvotu.

Sanfrancisko bāzētais Alta Partners 2000. gadā piešķīra Nanomix sākuma finansējumu, un pagājušajā gadā Nanomix bija piesaistījis 4,5 miljonus USD. Taču kopš tā laika ir bijis grūti atrast papildu līdzekļus, jo riska kapitālisti ir kļuvuši piesardzīgi pēc pagājušā gada ekonomikas sabrukuma. Tas ir bijis ilgs laiks, liekot citiem cilvēkiem investēt, saka Alta partneris Pīters Švarcs.

Ironiski, ka tieši Nanomix stiprās puses — spēcīga akadēmiskā ciltsraksts un teorētiskās zināšanas — var traucēt uzņēmumam potenciālo investoru priekšā, kas ir piesardzīgi jomā, kurā rezultāti bieži izklausās vairāk kā fundamentālie pētījumi, nevis dzīvotspējīgi produkti. Un Nanomix teorētiķu pulks ļauj īpaši viegli sajaukt uzņēmumu ar pamata pētījumu laboratoriju.

Spiediens ir licis Nanomix likt īstermiņa uzsvaru uz produktu izstrādi uz uzņēmuma teorētiskās fizikas centienu rēķina. Bet, lai gan Koens var samierināties ar tūlītēju nepieciešamību iegūt produktu, lai iegūtu finansiālu atbalstu, viņš joprojām ir uzticīgs savam sapnim: uzņēmumam, kas izgudro un komercializē nanomateriālus, savienojot kvantu modelēšanu un teoriju ar veikliem eksperimentiem. Tas ir sapnis, kas piepildīts ar eksotiskiem materiāliem, ko ierobežo tikai fizikas noteikumi un praktizētāju gudrība.

Tāpat kā daudzi nanotehnoloģiju pētnieki, Koens un viņa zinātniskie kolēģi no Nanomix ir pārliecināti, ka nanomateriāliem būs pielietojums ne tikai sensoros un ūdeņraža uzglabāšanā, bet arī elektroniskās ierīcēs, kas tūkstoš reižu mazākas nekā mūsdienu silīcija tranzistori, padarot iespējamus īpaši ātrus, īpaši mazus datorus. Liliputas shēmas ar miljardiem nanokomponentu vēl var ilgt vairākus gadus, taču Nanomix pētnieki jau domā par nanomateriāliem, kas tos varētu padarīt.

paslēpties