Kommer Real Nanotech att stå upp?

Den storslagna balsalen på Boston Marriott hade fyllts med en folkmassa som endast bestod av flera tusen materialforskare som var ivriga att höra Richard Smalleys kvällsplenumföreläsning om nya enheter och material från kol. Efteråt, i ett nästan tomt mötesrum på hotellet, ser kemisten från Rice University trött och utmattad ut när han ställer frågor. Så plötsligt har han återupplivats; han lutar sig framåt och fokuserar intensivt. Samtalet har svängt till ett av hans favoritämnen: hur nanoteknik kommer att hjälpa till att rädda världen.



Det finns ungefär 6 miljarder människor på jorden, påpekar Smalley den här novembernatten, och forskning som syftar till att producera bättre, billigare och effektivare material kommer att vara en nyckel till att föda och hysa den befolkningen när den skjuter i höjden mot ett eventuellt stabilt tillstånd på 10 miljarder eller mer. Men gränserna för hur starkt, ledande och invecklat ett material kan vara sätts på nanometerskalan, säger han. Drömmen, säger Smalley, är att bygga med den nivån av finess, att göra det perfekt ner till sista atomen. Denna förmåga, hävdar han, skulle ge mindre, effektivare batterier, starkare material och avsevärt förbättrad och billigare elektronik.

Guds ögon till salu

Den här historien var en del av vårt marsnummer 1999





  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

Dessa är inga ravings från den senaste trendiga futuristen. Smalley är en av landets mest respekterade kemister, nobelpristagare i kemi 1996 och chef för ett nytt 33 miljoner dollar Nanoscale Science and Technology Center i Rice. Han är inte heller ensam. Ett växande antal forskare delar Smalleys övertygelse om att kontroll av materialstruktur ner till ett fåtal atomer eller molekyler kommer att ha en enorm inverkan på allt från datorer till medicin. Förmågan att manipulera materia en atom i taget har varit science fiction-material i flera år. Men den senaste utvecklingen av högteknologiska verktyg, särskilt sonder som är tillräckligt känsliga för att både avbilda och flytta enskilda atomer och molekyler, har börjat förvandla dessa fantasier till vetenskaplig verklighet.

Under det senaste året har två grupper av forskare oberoende tillverkat en transistor av en enda kolmolekyl. Forskare har byggt prototyper av informationslagringsenheter med databitar så små som 50 nanometer i diameter. Andra forskare har nyligen gjort en molekyl som roterar, fungerar som ett nanohjul, samt en rudimentär kulram med enstaka molekyler som fungerar som de glidande pärlorna.

Det är visserligen laboratorienyheter. Och i sanning vet ingen riktigt vad som kommer att bli resultatet av den framväxande vetenskapen. För det första, även om forskare noggrant kan tillverka nanoenheter en i taget i labbet, måste de fortfarande hitta ett snabbt och kommersiellt genomförbart sätt att göra miljontals av dem. De saknar också pålitliga metoder för att integrera komponenter i nanoskala. Men dessa första steg ger övertygande bevis på att det är möjligt att bygga fungerande nanoenheter – och de har börjat skapa ett stort hopp (tillsammans med en hel del hype) om att Smalleys dröm om att bygga nya material med molekylär precision kommer att gå i uppfyllelse.



Revirstrider

Det som har fört denna dröm inom räckhåll är forskarnas nyfunna förmåga att avbilda och manipulera enskilda atomer. I början av 1980-talet uppfann fysiker vid IBM Research i Zürich scanning tunneling microscope (STM), som gjorde det möjligt för första gången att fånga direkta bilder av materia i atomär skala. Detta var upptäckten som öppnade upp nanovärlden. Genom att förlita sig på STM och ett närbesläktat instrument som kallas ett atomkraftmikroskop (AFM), kan forskare nu direkt skjuta atomer och molekyler runt och knuffa dem på plats.

Det finns två former av atomär manipulation. En involverar fysisk manipulation för att glida runt atomer på en metallyta för att bilda 2D-strukturer. Det andra tillvägagångssättet försöker tillverka stabila strukturer med atomupplösning genom att bryta och bilda kemiska bindningar, med hjälp av de starka elektriska fälten som genereras av själva STM-apparaten.

Det är fortfarande exotiska laboratorieundersökningar. Men för dem i företags- och universitetsforskningslaboratorier innebär utvecklingen av dessa kraftfulla nya verktyg att du kan gå galen i avbildning och manipulera helt nya fysiska strukturer, enligt Donald Eigler, fysiker vid IBM Almaden Research Center i San Jose, Kalifornien Eiglers grupp studerar till exempel magnetismen hos flera atomer som sitter på en yta. Även om arbetet med STM så småningom kan leda till framsteg inom datoranvändning och magnetisk datalagring, drivs Eigler inte bara av praktiska tillämpningar. Det som gör mig mest upphetsad, säger han, är när jag ser en aspekt av naturen som inte har setts tidigare. Det här är ny gräsmatta.



Gränserna för denna nya gräsmatta dras fortfarande i en ibland kontroversiell debatt. De flesta fysikaliska forskare rapporterar att nanorymd är en mystisk plats som fungerar enligt sina egna regler. Och även forskare som Smalley som tror att arbetet så småningom kommer att löna sig i betydande fördelar för samhället påpekar att de precis har börjat förstå de mycket smås fysik och lära sig hur man kontrollerar beteendet i detta rike.

kan du odla ett barn utanför livmodern

Ett fåtal hävdar dock att de har allt utom räknat ut. I nästan två decennier har K. Eric Drexler, ordförande för Palo Alto, Kalifornien-baserade Foresight Institute, en ideell grupp som syftar till att främja nanoteknik, beskrivit i exakt detalj hur nanotillverkning kommer att fungera - och förändra världen. Drexler föreställer sig självreplikerande nanorobotar som mekaniskt trycker samman atomer och molekyler för att bygga ett brett utbud av väsentliga material. Ett enormt antal av dessa nanorobotar som arbetar tillsammans skulle tillgodose världens materialbehov nästan utan kostnad, i princip utplåna hungern och stoppa föroreningar från konventionella fabriker.

Det är en utopisk vision som få forskare som gör experiment på nanoskala har köpt in sig. Men, inte överraskande, har den en stor dragningskraft för många andra. Denna föreställning om nanoteknik har fått sitt eget liv. Och för en bred publik av teknikentusiaster, såväl som för vissa i media, har det blivit den mest kända versionen av nanotechdrömmen.

Det är, enligt vissa forskare, exakt problemet. Drexlers idéer kan ha hjälpt till att skapa tidig spänning för nanoteknik, men efter år av att ha hört storslagna spekulationer om en modig ny nanovärld, säger forskare att det är dags att låta vetenskapen ta över fantasierna. Det har inte gjorts någon experimentell verifiering för någon av Drexlers idéer, säger Mark Reed, en nanoelektronikforskare och chef för Yale Universitys avdelning för elektroteknik. Vi börjar nu göra de riktiga mätningarna och demonstrationerna i den skalan för att få en realistisk bild av vad som kan tillverkas och hur saker fungerar. Det är dags för den riktiga nanotekniken att stå upp.

Vissa hävdar att tillkomsten av praktisk nanoteknik redan är här. Det är en blygsam start. Forskare bygger ännu inte praktiska elektroniska enheter av enstaka atomer eller molekyler - och det finns definitivt inga nanorobotar i närheten. Men Richard Siegel, en materialvetare vid Rensselaer Polytechnic Institute som ledde en National Science Foundation-sponsrad rapport förra året om nanoteknik, säger att kontrollerad syntes av material i nanometerskala redan har börjat. Rapporten drog också slutsatsen att en världsomspännande kapplöpning för att exploatera nanomaterial och bygga nanoenheter är på god väg, ledd av ett flertal universitetsforskningsgrupper och stora industriella laboratorier som IBM Research, Motorola och Japans NEC Fundamental Research.

För närvarande är dessa material mestadels tillverkade av traditionella metoder för kemisk syntes, men Siegel säger att tillgången på verktyg för atomavbildning har börjat göra det möjligt för forskare att göra selektiva nanostrukturer. Siegel pekar till exempel på utvecklingen av nanokristallina material som används i de gigantiska magnetoresistens (GMR)-enheter som har under de senaste åren dramatiskt accelererat förbättringstakten inom informationslagring. GMR-teknologin bygger på flera lager av tunna filmer, vissa bara några få atomer tjocka; den exakta skiktningen av dessa tunna filmer på molekylär nivå är ansvarig för enhetens höga känslighet. Siegel hävdar att den enorma effekten av nanoteknik kommer att komma inom nanoelektronik. Nanokristallerna som används i GMR, föreslår han, är bara toppen av det isberget.

För dem som tillverkar mikrometerstora enheter (nu vanliga inom avancerad elektronik och optik) närmar sig kollisionen med nanoskalan med stormsteg. Det växande området av MEMs (mikroelektromekaniska maskiner), som utvecklar små maskiner för att fungera som allt från mikrofoner till miniatyrraketer, stöter också mot nanovärlden och gör rutinmässigt fungerande delar så små som några hundra nanometer.

För purister måste du dock tänka mindre - mycket mindre - innan du går in i den verkliga nanovärlden. För dessa kemister och fysiker är det under cirka 50 nanometer där det roliga börjar. På denna nya arena förlorar krafter som gravitationen som styr den vardagliga världen snabbt sina välbekanta betydelser. Fysisk intuition misslyckas totalt i nanovärlden. Man måste slänga sina förutfattade meningar, säger Reed. Du ser alla typer av ovanliga effekter. För det första kan elektroner gå till platser som de enligt klassisk fysik inte kan vara. I vissa fall, säger Reed, är det som att kasta en tennisboll mot en garageport och få bollen att hoppa ut på andra sidan.

Det är också här dagens kiselbaserade elektronik börjar misslyckas. På nanoskalan läcker konventionella transistorer elektroner som silar, och dopningsatomerna som sätts in i kisel för att kontrollera dess egenskaper beter sig som enorma, besvärliga stenblock. Men om nanoskalan utgör skarpa hinder för konventionell elektronisk teknologi, öppnar den också upp för anmärkningsvärda nya möjligheter som kan göra att dagens elektronik ser ut som Model T.
Om elektroniska enheter kunde reduceras till storleken på enskilda molekyler, skulle spelet förändras helt. Molekylär elektronik föreslogs på 1970-talet av Mark Ratner, som nu är vid Northwestern University, och Ari Aviram från IBM. I åratal förblev det en lockande idé långt bortom experimentalisternas förmåga. Men under de senaste åren har ledande forskare börjat tillverka faktiska ledningar och komponenter av enskilda molekyler. Och nu har de börjat tillverka råa enheter som faktiskt fungerar.

På Yale har Reed och hans medarbetare till exempel gjort en diod av flera enskilda organiska molekyler. Den enkla dioden, som är flera nanometer lång, är långt ifrån en praktisk apparat, säger Reed. Men, tillägger han, det är ett första, uppmuntrande steg för att göra transistorer och logiska enheter i den skalan.

Nanonudlar

en nyckel till framstegen inom molekylär elektronik kan vara en exotisk molekyl som kallas kolnanoröret. Denna anmärkningsvärda kolstruktur, upptäckt av forskare vid Japans NEC 1991, är en nära kemisk kusin till buckyball, en ny form av kol som upptäcktes av Smalley 1985. Men medan buckyball är en fotbollsformad molekyl med 60 kolatomer, nanorör är långa rör av ett ihoprullat ark av grafit. De är elektriskt ledande och har gjorts till ledningar som bara är några nanometer i diameter.

översätt engelska till spanska ljud

Nanorör är, både bokstavligt och metaforiskt, en tunnel mellan nanovärlden och den makroskopiska världen. Dessa strukturer möjliggör en lång fiber som bara är några få atomer bred. På en praktisk nivå, säger Smalley, kan batterier använda nanorör både för att flytta elektroner mellan atomer och för att bära en laddning centimeter bort. Deras stora förtjänst är att de är molekylära, säger Smalley. Varje nanorör, säger han, är en enhet som har sitt eget beteende och integritet. Det betyder att du kan skjuta runt de enskilda kolmolekylerna, som små nanologer.

Egentligen fungerar ett nanorör lite mer som kokt spagetti, säger Phaedon Avouris, chef för IBM Researchs nanometerskaliga vetenskaps- och teknikgrupp i Yorktown Heights, NY. Varje nanorör kommer att fastna på en yta och denna vidhäftning är tillräckligt stark för att bibehålla vilken form som helst. tryck in den. Vidhäftningen ger också god elektrisk kontakt mellan nanoröret och metallelektroderna.

Senast har Avouris och hans medarbetare manövrerat en av dessa nanonudlar för att överbrygga ett par elektroder och drivit molekylerna till ringar och bokstäver. IBM-forskarna har också gjort en funktionell fälteffekttransistor - en grundläggande elektronisk enhet - vid rumstemperatur av ett enda nanorör.

Den framgångsrika utvecklingen av molekylär elektronik skulle innebära att ett enda chip skulle kunna rymma miljarder transistorer i nanoskala, vilket gör en dator i storleksordningar kraftfullare än dagens maskiner. Det kan också innebära att man bygger små och billiga datorer som rymmer miljontals nanotransistorer; Sådana datorer i saltkornstorlek kan enkelt och billigt integreras i mängder av andra produkter - även i smarta material.

Nanoteknik kan också möjliggöra informationslagringsenheter med enorm kapacitet. Utredare vid IBM Research i Zürich, ledda av fysikerna Gerd Binnig och Peter Vettiger, bygger en mikromekanisk prototyp som använder små kiseltips för att läsa och skriva databitar som är mindre än 50 nanometer breda. Det skulle översättas till hårddiskar med lagringskapacitet på nära en biljon byte (terabyte) - ett par storleksordningar större än hårddiskarna på dagens topp-of-the-line datorer. Det kan också betyda små produkter, till exempel storleken på ett armbandsur, som har enorm lagringskapacitet.

I sina experiment använder Binnig och hans medarbetare AFM-tipset för att läsa nanobitar av information på en polymeryta. Att använda ett enda tips skulle dock innebära en process som är alldeles för långsam för att vara praktisk. Binnig har därför kopplade arrayer med mer än 1 000 AFM-spetsar som agerar parallellt. Arrayerna kan snabbt skriva information genom att stansa små divots i substratet och läsa nanobitarna genom att detektera fördjupningarna.
Samtidigt har Binnigs kollegor på IBM Zürich använt STM för att framställa ännu mindre nanoobjekt med urverksprecision. James Gimzewski, en IBM-kemist, har byggt en utsökt liten kulram. Gimzewski använde STM-spetsen som finger för att flytta kulramspärlorna, som är buckyballs med diametrar på mindre än 1 nanometer.

Gimzewskis senaste uppfinning är ett hjul konstruerat av en propellerformad molekyl som snurrar på en liten, lagerliknande struktur. Gimzewski säger att även om den roterande molekylen föreslår möjliga framtida nanomaskiner, är forskningen fortfarande embryonal. Vid det här laget, säger han, om du kan få något att fungera i nanovärlden, oroa dig inte för dess praktiska funktion. Vi har precis börjat. Det är som barn som leker med lego.
Zürich-verket återspeglar en djupt förankrad och starkt schweizisk tro på mekanik. Fysikern Binnig säger att mekanik har förbisetts eftersom elektronik är så framgångsrik. Det anses gammaldags. Hans enhet för informationslagring fungerar dock mer eller mindre som en liten grammofonnål.

När du utforskar nanovärlden, säger han, blir mekaniska enheter ett attraktivt alternativ till elektronik.
Binnig säger att det mekaniska tillvägagångssättet kan utvidgas långt bortom datalagring, och att allt du kan göra elektroniskt kan du göra mekaniskt. Elektronik är särskilt bra på att leda energi längs exakta vägar till en väldefinierad plats. Men, säger han, nanomekanik har en fördel av att arbeta med mycket låg strömförbrukning. Medan en 3-D nanoelektronikenhet skulle smälta omedelbart från sin egen värme, säger Binnig, kan du föreställa dig en 3D nanomekanisk enhet som skulle bli kall. Dessutom kan mekaniska enheter visa sig vara lättare än elektronik att integrera med biologiska, optiska och kemiska system.

Gå in i hypen

det är någonstans här som vetenskapen börjar blandas ihop med science fiction. Om du kan göra ett nanohjul, varför inte ett nanohjul? En egendriven nanobåt? Varför inte bygga en nanorobot för att flytta runt atomerna åt dig?

Och medan du håller på, varför inte göra nanorobotar som kan replikera sig själva, vilket gör det möjligt att bemanna nanofabriker som kan sätta ihop nästan vad som helst ur atomernas grundläggande byggstenar? Välkommen till molekylär tillverkning, som predikades av nanoevangelisten Drexler. Kärnan i Drexlers vision är en pryl som kallas en assembler. Denna hypotesiska robotapparat skulle fungera genom att mekaniskt placera atomer i praktiskt taget vilken konfiguration som helst. Om kemin mellan atomerna inte tar till, skulle montören applicera en liten mekanisk kraft (Drexler och hans anhängare kallar det mekanokemi). Få miljarder av dessa montörer att arbeta parallellt för att ordna alla atomer precis rätt-bra, då kan du bygga nästan vad som helst du kan föreställa dig.

Det finns bara ett problem: få kemister, fysiker eller materialforskare ser några bevis för att detta kommer att vara möjligt. Många som tror på Drexlers vision är datavetare som njuter av att simulera hur allt kommer att fungera. De producerar eleganta molekylära modeller av nanodrev och pumpar men erbjuder ingen tydlig plan för hur man faktiskt bygger sådana saker.

Förespråkare av molekylär tillverkning avskräcks inte av skepsisen hos sina mer vanliga kollegor - även om de medger att deras vision kommer att ta årtionden att förverkligas. Teoretiska beräkningar och datormodellering säger att det kan göras, insisterar Ralph Merkle, en datavetare vid Xerox Palo Alto Research Center och en direktör, tillsammans med Drexler, för Foresight Institute. I synnerhet försvarar Merkle de två nyckelförslagen som har dragit mest eld från andra forskare: förslaget om självreplikerande montörer och positionskontroll av atomer och molekyler för att göra mekanokemi.

Vid självreplikering skulle en molekylär dator styra konstruktionen av en nanorobotarm för att bygga en annan dator; denna andra dator styr sedan konstruktionen av en annan liten dator, och så vidare. Självreplikering är ett koncept som har funnits i datavetenskap i flera år, säger Merkle, och logiskt sett borde det fungera. Idén med positionskontroll kräver att robotarmarna exakt placerar atomer och molekyler på ett sätt så att de binder, formar vad du vill. Så länge du inte bryter mot några fysiska lagar, säger Merkle, är detta mekaniska förhållningssätt till kemi vettigt.

Men Drexlers kritiker påpekar att kemi är en mycket komplex process på molekylär nivå. Att spela kemi, säger Smalley, betyder att kontrollera atomer i tre dimensioner. Vid varje reaktionsställe känner atomer påverkan av ett dussintal närliggande atomer; för att göra mekanokemi, skulle du behöva kontrollera rörelsen för var och en. För en nanorobot skulle det vara en ofattbart komplicerad jonglering. Andra högt respekterade forskare avfärdar helt enkelt Drexlers idéer. Säger IBMs Eigler: Han har inte haft något inflytande på vad som händer inom nanovetenskap. Baserat på det lilla jag har sett är Drexlers idéer nanofantasifulla föreställningar som inte är särskilt meningsfulla.

Löpandeband

i alla fall, innan forskare oroar sig för att bygga nanofabriker, måste de komma på ett praktiskt sätt att masstillverka vilken enhet som helst på nanoskala. Vissa hoppas få olika exotiska former av litografi (optisk litografi är standardtekniken som används för att etsa mönster på kiselchips) att fungera under 100 nanometer. Men hur små och hur snabba litografiska metoder i slutändan kan bli är någons gissning (se Chips Go Nano, s. 55). Likaså är att skjuta runt molekyler en i taget med en STM ett oerhört långsamt och svårt sätt att göra någonting. Vad mer är, när du är klar har du fortfarande bara ett mycket litet föremål. Att bygga ett enda datorchip en atom i taget med dagens STM-teknik skulle enligt en uppskattning ta 1 000 år.

En lösning är att koppla ihop STM- eller AFM-spetsarna i en array som fungerar parallellt - en nanomekanisk monteringslinje som kan tilltala Henry Ford. Detta är strategin som IBMs Binnig använder i sin informationslagringsenhet. Och även om det är ett jobb att koppla dessa små arrayer och förvandla dem till en fungerande enhet, tyder den preliminära forskningen vid IBM Zürich och flera andra laboratorier att det bara kan fungera.

Men många tror att det långsiktiga svaret ligger i en process som kallas självmontering. Till skillnad från den Drexlerska konstruktionsplanen som använder självreplikerande nanorobotar för att flytta runt atomer, bygger självmontering på kemi för att placera bitarna i en nanoskalastruktur och dra nytta av vissa molekylers förmåga att ordna sig i komplexa strukturer. I kemiska termer fungerar självmontering eftersom molekyler söker det termodynamiska minimum av den struktur du vill ha. Se det som ett prefabhus som bygger sig självt med hjälp av kemi.

Men hittills har kemister och materialvetare lärt sig att bygga bara de enklaste strukturerna. Konstnären att sätta ihop specifika egenskaper i materialen och kombinera olika material är fortfarande en skrämmande utmaning.

hur färgblinda glasögon fungerar

Lösningen på det problemet kan avgöra vilka nanoenheter som är praktiska och hur lång tid det tar för dem att komma ut på marknaden. För de flesta applikationer skulle du behöva tillverka och integrera miljarder nanoobjekt. Och för att konkurrera inom sådana områden som informationsteknik måste du göra det mycket billigt. Det, säger många forskare, kommer att kräva kemins syntesförmåga. Förvänta dig inte att någon kommer till den punkt där du lägger till ingredienser i en bägare och en integrerad krets kommer ut, säger Yale's Reed. Men förhoppningen är att självmontering så småningom kan placera nanoelektroniska enheter där du vill ha dem, säger Reed.
Det kommer att ta tid. Men det finns uppmuntrande tecken på att detta tillvägagångssätt kommer att fungera. Självmontering är på sätt och vis där kemi och materialvetenskap – konsten att bygga verkliga saker – möter nanoskalans fysik. Fysiken har gett forskare medlen att manipulera nanoobjekt och förstå hur nanovärlden fungerar, och nu söker forskare till kemi och materialvetenskap för nästa framsteg som kommer att hjälpa till att förvandla allt detta arbete till en praktisk teknik.

Ingen vet riktigt var dessa genombrott kommer ifrån - eller ens om de kommer. Men när vetenskapen om nanovärlden växer, börjar formen på de verkliga möjligheterna att dyka upp ur nanodimman.

Dölj

Faktisk Teknik

Kategori

Okategoriserad

Teknologi

Bioteknik

Teknisk Policy

Klimatförändring

Människor Och Teknik

Silicon Valley

Datoranvändning

Mit News Tidningen

Artificiell Intelligens

Plats

Smarta Städer

Blockchain

Huvudartikel

Alumnprofil

Alumnikoppling

Mit News-Funktion

1865

Min Syn

77 Mass Ave

Möt Författaren

Profiler I Generositet

Ses På Campus

Alumnbrev

Nyheter

Tidningen Mit News

Val 2020

Med Index

Under Kupolen

Brandslang

Oändliga Berättelser

Pandemic Technology Project

Från Presidenten

Cover Story

Fotogalleri

Rekommenderas