Prevod članka o nanotehnologiji It's a small, small, small, small world avtorja Ralpha Merkla. Prevod je nastal z dovoljenjem avtorja in revije Technology Review, v kateri je bila prvotno objavljena krajša različica tega besedila.
Uvod
Industrijski izdelki so iz atomov. Lastnosti izdelkov pa so odvisne od medsebojne razporeditve atomov. Če atome v premogu drugače uredimo, dobimo diamant. Če preuredimo atome v pesku (in dodamo še ščepec nečistoč), dobimo računalniške čipe. In če preuredimo atome v blatu, vodi in zraku, dobimo travo.
Od davnih časov, ko smo naredili prva kamnita orodja in kresilne kamne, ljudje premeščamo atome z ulivanjem, mletjem, praskanjem in rezljanjem v strahovito velikih statističnih gručah. To nam gre vedno bolje od rok: naredimo lahko več stvari kot kadarkoli prej, in to z večjo natančnostjo in za manjšo ceno. Toda če pogledamo na raven molekul, še vedno delamo velike nerodne kopice in neurejene grmade atomov.
Toda to se spreminja. V nekaterih primerih lahko že danes premikamo atome in molekule natančno tako, kot želimo. Teoretične analize nam pravijo, da bi lahko dosegli še veliko več! Nekega dne bomo najbrž sposobni razmeščati in preurejati atome in molekule ravno tako, kot da bi se igrali z lego kockami. Čez nekaj desetletij bi morali imeti na voljo proizvodno tehnologijo, ki bi nam omogočala:
Tako tehnologijo pogosto imenujemo nanotehnologija, molekularna nanotehnologija ali molekularna proizvodnja, omogočala pa nam bo narediti večino stvari lažje, trdneje, pametneje, ceneje, natančneje in na bolj čist način.
Še opozorilo: za razliko od pomena v tem besedilu nekateri raziskovalci označujejo z besedo nanotehnologija litografske postopke z visoko ločljivostjo, drugi pa tudi raziskave vseh vrst, pri katerih je kritična velikost pod mikrometrom (1000 nanometrov). Zato bom uporabljal izraz "molekularna nanotehnologija" ali pa "molekularna proizvodnja" na mestih, kjer bi lahko prišlo da zmešnjave.
Na področju nanotehnologije sta ključni vprašanji:
Glede na to, da sistemi za molekularno proizvodnjo še ne obstajajo in da bo minilo še nekaj desetletij, preden jih bomo lahko sestavili, se bo treba pri iskanju odgovora na prvo vprašanje opreti na teoretične in računalniške, komputacijske modele. Takšni modeli so večstransko uporabni.
Nekateri ljudje bi lahko trdili, da je takšen cilj inherentno nedosegljiv, z drugimi besedami, takšnih sistemov naj ne bi mogli narediti v okviru današnjih fizikalnih zakonov. Teoretični in komputacijski modeli nam dajo na voljo enostaven način, s katerim lahko raziščemo to vprašanje in zagotovimo, da je opisane sisteme mogoče izdelati.
Drugič, takšni modeli nam dajo občutek, kako naj bi sistemi za molekularno proizvodnjo lahko izgledali. Končno, bolje kot poznamo cilj, večja je verjetnost, da ga dejansko dosežemo. Za ilustracijo si lahko ogledamo primer iz zgodovine, računalnik, najbolj pomemben izum dvajsetega stoletja. Osnovna ideja releja je bila znana v dvajsetih letih prejšnjega stoletja in Babbage je iznašel koncept mehanskega računalnika s programom sredi prejšnjega stoletja. Delujoče računalnike bi bržkone lahko sestavili z releji že okoli 1860, če bi takrat že bilo tudi zadostno teoretično razumevanje "računanja". Ustrezno teoretično razumevanje molekularne proizvodnje naj bi na podoben način olajšalo težave med razvojem samim, s tem da bi nam omogočilo premisliti o pristopih in konstrukcijah, katerih razvoj bi se sicer zavlekel za več desetletij ali pa, kot se je pripetilo v primeru računalnika, skoraj za celo stoletje.
V tem članku si bomo najprej ogledali, kakšni bi lahko bili sistemi za molekularno proizvodnjo, potem pa se bomo vprašali, kako bi jih lahko izdelali s pomočjo naše trenutne tehnologije. Pri tem si ne bomo ogledali le novejših eksperimentalnih dosežkov in njihovih možnih razširitev, temveč bomo pretehtali tudi možne vmesne cilje in sisteme.
Če si želite pogledati, kaj je na voljo o nanotehnologiji na Internetu (in tega je kar veliko), je najbolje začeti na strani o nanotehnologiji pri Xeroxu.
Prednosti nanotehnologije
Kaj bi pomenilo, če bi lahko na poceni način izdelali stvari, pri katerih bi bil vsak atom na pravem mestu? Za začetek bi lahko podaljšali revolucijo računalniške strojne opreme tja do molekularnih logičnih vrat in žičk - tega z današnjimi litografskimi metodami (s katerimi izdelujemo računalniške čipe) nikakor ne bi mogli doseči. Na poceni način bi lahko naredili zelo trdne in zelo lahke materiale: nedrobljiv diamant (shatterproof diamond) je ravno prave oblike in je petdesetkrat lažji od jekla primerljive trdnosti. Naredili bi lahko avtomobil, ki bi tehtal petdeset kilogramov, ali pa sedežno garnituro, ki bi jo lahko dvignili z eno samo roko. Lahko bi naredili tudi kirurške instrumente, s katerimi bi bili tako natančni in spretni, da bi lahko opravljali kirurške posege na ravni celic ali celo molekul iz katerih smo narejeni - nekaj, kar je daleč od dometa današnje zdravstvene tehnologije. In ta seznam bi lahko še nadaljevali - skoraj vsak proizvodni izdelek bi lahko izboljšali, pogosto za več velikostnih redov.
Prednosti nadzorovanja lege ("positional control")
Eden izmed osnovnih temeljev nanotehnologije je nadzorovanje lege. Zavedanje, da lahko v makroskopskem svetu primemo v roke majhne koščke in jih sestavimo, tako da jih postavimo v ustrezne medsebojne lege, je obstajalo že v prazgodovini: radi se postavljamo kot živalska vrsta, ki uporablja orodja. Vsa naša modrost in znanje bi nam komaj kaj koristila, če ne bi imeli palca na pravem mestu: še vedno bi se tresli v grmovju, ker ne bi mogli zanetiti ognja.
Toda ideja, da bi tudi v mikroskopskem svetu držali in natančno premikali molekule, je nova in skorajda šokantna. Toda že leta 1959 je Nobelov nagrajenec iz fizike, Richard Feynman, dejal, da nam zakoni fizike tega ne preprečujejo: "...to bi se v principu dalo narediti; toda dejansko tega še nismo dosegli, ker smo preveliki."
Preden pa si ogledamo prednosti nadzorovanja lege v svetu molekul, bi bilo poučno, če bi opisali nekatere metode, ki so jih razvili kemiki - metode, ki omogočajo sintezo presunljivo raznolikih molekul in molekulskih struktur brez nadzorovanja lege.
Samosestavljanje ("selfassembly")
Sposobnost kemikov, da sintetizirajo želeno spojino z mešanjem prokurzorjev, je presenetljiva. Predstavljajte si, da bi lahko sestavili tranzistorski sprejemnik, tako da bi v vrečko stresli vse sestavne dele, jo stresli, in ven potegnili sestavljen in delujoč sprejemnik! Samosestavljanje - umetnost in znanost izbiranja pogojev, v katerih se sestavni deli spontano povežejo v želeno strukturo - je že dobro dognan in učinkovit način gradnje kompleksnih molekularnih struktur. Osnovno načelo samosestavljanja je selektivna afiniteta: če imata dva dela različnih molekul komplementarne oblike in naboje - en del ima vdrtino tam, kjer ima drugi izboklino oziroma negativni naboj tam, kjer ima drugi pozitivnega - potem se bosta z veliko verjetnostjo staknila skupaj na en sam, natančno določen način. S tem da pretresamo sestavne dele - pri čemer nam pomaga naravno termično gibanje, če sestavni deli plavajo v raztopini - bodo ti deli sčasoma, na naključen način, prišli v stik na ustrezen način in se bodo združili v večjo celoto. Ta večji del se lahko na podoben način združi še z ostalimi gradniki, kar nam omogoča, da postopoma zgradimo kompleksno celoto iz molekularnih gradnikov tako, da jih enostavno zmešamo in potem dobro premešamo.
Mnogi virusi uporabljajo ta pristop za izdelavo novih virusov - če v epruveti zmešamo sestavne dele virusov T4, se bodo sami sestavili v pravilno delujoče viruse.
Pozicijske naprave in pozicijsko nadzorovane reakcije
Čeprav je samosestavljanje možna pot k nanotehnologiji, bi nam to samo po sebi le stežka omogočalo narediti širok spekter izdelkov, ki nam jih obljublja nanotehnologija. Ne znamo, na primer, narediti nedrobljivega diamanta s pomočjo samosestavljanja. (Pozneje bomo opisali možen način izdelave diamanta s pomočjo nadzorovanja lege). Med samosestavljanjem se deli zadevajo med seboj na različne načine, in če se staknejo tam, kjer ne želimo, bomo dobili naključno povezane skupke gradnikov. Ta težava nastopa pri velikem številu gradnikov, tako da si v teh primerih ne moremo pomagati s samosestavljanjem. Vse kaže, da bomo pri izdelavi diamanta potrebovali gradnike, ki so na splošno zelo "lepljivi" (prosti radikali, karbeni in podobno). Pri takšnih delcih si ne moremo privoščiti, da bi se naključno zadevali med seboj in v druge molekule, ker bi bil rezultat zmešnjava molekul namesto natančnega molekularnega stroja.
Tej težavi se lahko izognemo, če bi znali držali in nadzorovali lego sestavnih delov. Čeprav so molekule, ki jih potrebujemo pri izdelavi diamanta, takšne, da se lahko povežejo z razno raznimi drugimi in to na zelo trden način (če se izrazimo bolj tehnično, potencialne bariere za tvorjenje vezi so nizke, nastale kovalentne vezi pa so dokaj močne), bi jih lahko vseeno uporabili, če bi z nadzorovanjem njihove lege preprečili, da se zadevajo med seboj na nezaželen način. Ko bosta dva "lepljiva" dela prišla v stik, se bo to dogodilo na natančno določen način, saj jih bomo staknili na pravih mestih. Z drugimi besedami, nadzorovanje lege nam bo omogočilo narediti stvari, ki bi jih bilo sicer težko ali celo nemogoče sestaviti. Če si pomagamo z intuicijo iz našega, makroskopskega sveta, se nam to ne bi smelo zdeti presenetljivo. Če z dlanmi ne bi mogli držati in premikati stvari, bi imeli hitro velike težave!
Če bi radi premikali molekularne gradnike, bi morali razviti ustrezne nadomestke za roke in dlani. Naučiti se bomo morali, kaj pomeni "pograbiti" take gradnike, in kaj pomeni "stakniti jih skupaj". Razumeti bomo morali natančno določene kemične reakcije, ki bi jih taka naprava izkoriščala.
Najprej bomo poskušali najti odgovor na sledeče vprašanje: kako naj bi izgledala naprava za nadzorovanje lege? Predlogi so podobni močno pomanjšanim makroskopskim robotom. Ilustracije (iz Nanosystems, ki je najboljši tehnični uvod v področje nanotehnologije) kažejo zasnovo za molekularno robotsko roko, ki jo je predlagal Eric Drexler, pionir na tem področju. Visoka je 100nm, v širino pa ima 30nm, sestavljena je iz nekaj milijonov atomov in približno sto premikajočih se sestavnih delov. Ne uporablja nobenih mazilnih sredstev, ležaje uporabljamo "na suho" (po Feynmanevem predlogu).
Uporaba ležajev na suho je možna zato, ker je površina diamanta zelo spolzka (v tabeli si oglejte koeficient trenja za diamant) in ker lahko naredimo površino zelo gladko - tako gladko, da ne bi obstajala raskavost na ravni molekul in druge nepravilnosti, ki bi se sicer lahko "zatikale" med seboj. Računalniški modeli so tukaj v oporo naši intuiciji: analize ležajev s pomočjo programov za komputacijsko kemijo nam kažejo, da bi se ti vrteli brez težav.
Prožnost (stiffness)
Molekularne roke bi se morale boriti z nečem, kar nas običajno ne skrbi v makroskopskem svetu: termičnim gibanjem. Zaradi termičnega gibanja se predmeti na molekularni ravni majejo in pozibavajo, podobno kot Brownovo gibanje povzroča, da majhni prašni delci poskakujejo okoli na naključen način. Lahko torej naše molekularne robotske roke ohranjajo svojo lego kljub termičnemu gibanju?
Kritična lastnost, ki jo tukaj potrebujemo, je majhna prožnost. Prožnost meri premike pri mehanskih obremenitvah. Če je deformacija velika pri majhnem pritisku, potem je stvar zelo prožna. Če pa se ne odmakne ali ukrivi, tudi ko močno pritisnemo, potem je tako telo neprožno.
Velike naprave za pozicioniranje, kot je sodobni tipalni mikroskop (scanning probe microscope), so dovolj neprožne, da lahko razločimo posamezne atome kljub termičnemu gibanju. V tipalnem mikroskopu se zelo tanka konica premika po površini vzorca, ki ga opazujemo. Kot slepec, ki tipa pred seboj s palico, lahko zaznamo, če se konica približuje površini, in tako naredimo zemljevid površine, ki jo imamo pred seboj. Površino zaznavamo s pomočjo več različnih interakcij med konico in površino. Nekateri tipalni mikroskopi dobesedno pritiskajo na površino in beležijo kako močen je odziv površine. Pri drugih pa vzorec in sondo priključimo na električno napetost in potem merimo električni tok, ko se sonda približa površini. Možno je meriti še več drugih interakcij med sondo in površino in tako lahko naredimo še drugačne vrste tipalnih mikroskopov. Pri vseh pa je osnovna ideja enaka: ko se ostra konica približa površini, nastane električni signal, s katerim izdelamo zemljevid površine vzorca.
Tipalni mikroskop pa poleg slikanja omogoča tudi spreminjanje površine. To smo že eksperimentalno uporabili za pisanje besed s posameznimi atomi, teoretično in eksperimentalno pa raziskujemo tudi druge možnosti obdelave površine na nadzorovan način.
Toda s peščico velikih tipalnih mikroskopov, ki so zmožni narediti nekaj molekularnih struktur, ne bomo prišli prav daleč - vsekakor ne bomo mogli pridobiti na tone natančno oblikovanega diamanta. Potrebovali bomo veliko število zelo majhnih naprav za nadzor lege (positional devices), ki bi delovale sočasno. Na žalost pa bodo naše naprave za nadzor lege tem bolj podvržene težavam s termičnim gibanjem, čim manjše jih bomo naredili. Narediti nekaj, kar je hkrati neprožno in majhno, je veliko večji izziv. Pametno bi bilo, če bi si pomagali z najmanj prožnim materialom, kar jih poznamo. Diamant je trši kot večina drugih materialov in je idealen material za izdelavo zelo majhnih in zelo trdnih naprav. Teoretične analize kažejo, da bi pri napravah za nadzor lege velikostnega reda 100nm lahko dosegli natančnost njihovih konic na majhen delček atomskega premera navkljub termičnemu gibanju pri sobni temperaturi. Biljarde takšnih naprav bi zasedle samo nekaj kubičnih milimetrov!
Stewartove ploščadi (Stewart platforms)
Čeprav je Drexlerjev predlog majhne robotske robe zelo razumljiv in zadovoljiv za uporabo v nanotehnologiji, pa so se raziskave v zadnjem obdobju preusmerile k Stewartovim ploščadim. Ta naprava za nadzor lege ima veliko prednost pred robotsko roko, ker je pri isti velikosti veliko manj podvržena mehanskim deformacijam. Konceptualno so Stewartove ploščadi osnovane na opazki, da je polieder, katerega vse ploskve so trikotniki, trden. Če bi lahko nadzirali dolžino nekaterih robov poliedra, bi lahko uravnavali položaj ene ploskve glede na druge ploskve. Če bi potrebovali vseh šest prostostnih stopenj (X, Y, Z in tri rotacijske), potem bi morali imeti nadzor nad dolžinami šestih robov poliedra. Če bi poleg tega želeli, da ena od trikotnih ploskev poliedra ohranja svojo velikost in da drži "orodje", ter da neka druga ploskev poliedra deluje kot "podstavek" (base) katerega velikost in položaj sta fiksna, potem je najenostavnejši polieder z vsemi temi lastnostmi oktaeder.
Pri Stewartovi ploščadi je ena od trikotnih ploskev imenovana "ploščad", njej nasprotna trikotna ploskev pa je "podstavek". Dolžine vseh šestih robov, s katerimi je ploščad pritrjena na podstavek, lahko spreminjamo in tako spreminjamo lego platforme glede na podstavek. V mehanskih strojih to pogosto naredimo s šestimi hidravličnimi bati. Slika Stewartove ploščadi (iz knjige Nanosystems) je prikazana zgoraj.
Sedaj lahko vidimo prednost Stewartovih ploščadi: ker so robovi z nastavljivo dolžino stisnjeni ali pa raztegnjeni in niso nikoli podvrženi upogibnim silam, je ta naprava za nadzor lege manj prožna kot dolga robotska roka, ki se lahko upogiba in zvija. Stewartova ploščad je tudi konceptualno enostavnejša od robotske roke, ker ima manj sestavnih delov; iz tega razloga lahko utemeljeno sklepamo, da bo izdelava take ploščadi lažja od izdelave robotske roke.
Prednosti diamanta: zakaj je to sanjski material
Letala, vesoljske ladje, avtomobili in stoli, vse te izdelke bi lahko izboljšali s tem, da bi jih naredili lažje in trše. V nekaterih primerih, na primer pri vesoljskih poletih, pa bi bilo to že samo po sebi velikanski korak naprej. V drugih primerih pa bi pridobili predvsem pri pripravnosti: premikanje težkega pohištva je težko delo, kateremu bi se večina izmed nas najraje izognila.
Trdnost in teža materialov sta odvisni od števila in teže atomov ter moči vezi, ki jih držijo skupaj. Lahki atomi, ki tvorijo več močnih vezi, so osnova trdih in malo prožnih lahkih materialov. Bor, ogljik in dušik so lažji in tvorijo večje število močnejših vezi kot drugi atomi. Vez med dvema atomoma ogljika je še posebej močna in ti atomi lahko tvorijo vezi s štirimi sosednjimi atomi. Pri diamantu je to vzrok zelo goste mreže zelo močnih vezi in zaradi tega je diamant zelo trden in lahek material. Poleg nizke teže in velike trdnosti ima diamant še celo vrsto zelo koristnih lastnosti, ki jih lahko izkoristimo pri različnih uporabah. (Oglej si tabelo s snovnimi lastnostmi diamanta.)
| Lastnost | Vrednost pri diamantu | Opombe |
|---|---|---|
| Kemična reaktivnost | Izredno nizka | |
| Prožnost (kg/mm2) | 9000 | CBN: 4500 SiC: 4000 |
| Koeficient toplotne prevodnosti (W/cm-K) | 20 | Ag: 4.3 Cu: 4.0 |
| Strižni modul (Pa) | 3.5 10E9 (naravni diamant) | 10E11 (teoretična) |
| Prožnostni modul (Pa) | 1011 (naravni diamant) | 5 1011 (teoretična) |
| Energijska špranja (eV) | 5.5 | Si: 1.1 GaAs: 1.4 |
| Specifični upor (Ocm) | 10E16 (naravni diamant) | |
| Gostota (g/cm3) | 3.51 | |
| Temperaturni koeficient dolžinskega raztezka (1/K) | 0.8 10-6 | SiO2: 0.5 10-6 |
| Lomni količnik | 2.41 pri 590nm | Steklo: 1.4-1.8 |
| Koeficient trenja | 0.05 (suh diamant, spremenljiv) | Teflon: 0.05 |
| Gibljivost vrzeli (cm2/V-s) | 1600 | Si: 600 |
| Gibljivost elektronov (cm2/V-s) | 1900 | Si: 1500 |
| Prebojna jakost električnega polja (V/cm) | Višja od 107 | Si: 5 106 |
Tudi grafit ima zelo lepe lastnosti: atomi ogljika so urejeni v heksagonalno mrežo, v kateri ima vsak atom tri vezi s sosednjimi atomi. Čeprav ima grafit manj vezi na atom, so te vezi močnejše in imajo zato materiali iz grafita posebne lastnosti.
Diamant je tudi odličen material za izdelavo tranzistorjev in logičnih vrat. Poskušajmo pojasniti zakaj.
Logična vrata naj bi bila sposobna čim hitrejših preklopov: to omogoča tako visoke hitrosti računalnikov. Da bi to dosegli, moramo narediti ta vrata iz tranzistorjev, v katerih se elektroni premikajo čim hitreje čez kar se da kratke razdalje. Toda med potovanjem skozi material nastaja toplota: pomislite samo na to, kako vroča lahko postane volframova žička v žarnici! Hitrejši ko so računalniki, hitreje se premikajo elektroni skozi material in zaradi tega se integrirana vezja močneje segrevajo. Ko prekoračimo neko temperaturo, pa računalniki ne morejo več delovati pravilno.
Toda diamant ima odlične električne lastnosti. Na kratko, omogoča nam premikati naboje okoli pri veliko večjih hitrostih, preden neha delovati. Za to je več razlogov. Za začetek, tranzistorji iz diamanta lahko delujejo pri veliko višjih temperaturah, ker ima diamant višjo energijsko špranjo kot drugi materiali (na primer silicij). Elektroni v polprevodnikih (kot sta diamant in silicij) so ali v prevodnem pasu ali pa v valenčnem. Elektron v prevodnem pasu lahko svobodno potuje in prenaša naboj. Prehod elektrona iz valenčnega v prevodni pas terja določeno energijo. Pri siliciju je ta energija 1,12 elektron volta. Pri diamantu pa je 5,47 elektron volta. Ko narašča temperatura, lahko vedno več elektronov preide iz valenčnega v prevodni pas zaradi termičnega gibanja. Ko je takih elektronov preveč, postane polprevodnik povsod prevoden, nastane kratek stik in tranzistor ne dela več. Ker ima diamant večjo energijsko špranjo, pride do kratkega stika pri sorazmerno višji temperaturi kot pri siliciju.
Diamant ima tudi višji koeficient toplotne prevodnosti, kar nam pomaga pri odvajanju nezaželene toplote iz diamantnih tranzistorjev in tako lahko preprečimo pregrevanje.
Da bi dosegli hitrejše premikanje elektronov, jih moramo močneje "vleči", to pa dosežemo z močnejšim električnim poljem. Toda premočno električno polje lahko iztrga elektrone iz valenčnega pasu in nastane kratek stik. Ta prebojna jakost električnega polja je odvisna od materiala in (kot ste morda uganili) ta je pri diamantu med največjimi.
Za konec lahko dodamo še, da se elektroni (in vrzeli) premikajo z različnimi hitrostmi skozi različne materiale, tudi če je električno polje enako. Tudi tukaj je ta hitrost večja pri diamantu kot pri siliciju.
Ker so lahko diamantni tranzistorji bolj vroči, ker jih lažje hladimo, ker dopuščajo večje jakosti električnega polja pred prebojem in ker se lahko elektroni v njih premikajo hitreje, lahko iz diamanta naredimo boljše tranzistorje kot iz drugih materialov. Diamant bi bil idealen material za elektronske naprave, če bi ga le lahko izdelovali poceni in z natančno določeno strukturo.
Na kratko: pri avtomobilih, letalih, vesoljskih ladjah, kot tudi pri pohištvu in stavbah, žepnih računalnikih in super računalnikih bi bili materiali podobni diamantu enostavno boljši kot drugi materiali, pogosto celo veliko boljši. Ravno tako kot so bile železna, bronasta in jeklena doba poimenovane po materialih, ki smo jih znali izdelovati, bi lahko dobo, v katero počasi vstopamo, imenovali diamantna doba.
Nadzorovanje lege in izdelava diamanta
Teoretično bi lahko naredili veliko uporabnih struktur iz diamanta, kot so na primer zelo zmogljivi računalniki in molekularne robotske naprave, ki bi bile sposobne premikati molekulske gradnike z natančnostjo dela atomskega premera. Toda kako bi lahko izdelali diamant? Enega od možnih odgovorov lahko najdemo, če si ogledamo, kako ga izdelujemo danes s [kemijskim odlaganjem pare] (chemical vapor deposition, CVD). Pri tem postopku, ki je nekoliko podoben pleskanju z razpršilcem barve, gradimo diamant plast za plastjo na neki ploskvi, tako da jo postavimo v oblak zelo reaktivnih molekul in atomov, kot so H, CH3, C2H in tako naprej. Ko te reaktivne molekule zadenejo površino, jo spremenijo: lahko dodajo, odstranijo ali pa premestijo atome. Z natančnim nadziranjem pritiska, temperature in sestave plina lahko ustvarimo primerne pogoje za rast diamanta na ploskvi. Čeprav so to ustrezne reakcije za izdelavo diamanta, pa nam naključno bombardiranje ploskve z reaktivnimi molekulami ne omogoča natančnega nadzora nad procesom rasti kristala. Mi bi pa želeli, da pride do kemičnih reakcij na natančno določenih krajih - ne pa tam, kjer to narekujejo naključni pljuski turbulentnega plina.
Dodatna težava je kemična inertnost hidrogenirane površine diamanta: zelo težavno je tam dodajati ogljik oziroma kar koli drugega. To težavo bi lahko premagali, če bi odstranili atom vodika s površine in bi ostala zelo reaktivna prosta vez. To je odločilni prvi korak pri postopku CVD, toda pripeti se naključno, kjer koli na površini rastočega diamanta, ko ustrezna reaktivna molekula plina slučajno zadane površino na ravno pravi način. Mi bi sicer radi dosegli nekaj podobnega, toda na nadzorovan način: želeli bi odstraniti natančno določen atom vodika z natančno določenega mesta na površini diamanta. V ta namen bomo potrebovali "orodje za odstranjevanje vodika" (hydrogen abstraction tool).
Kakšno bi lahko bilo to orodje? Če se opremo na naše poznavanje postopka CVD pri diamantu, bi to moral biti visoko reaktiven radikal z zelo veliko afiniteto do vodika. Poleg tega mora biti takšen, da lahko nadzorujemo njegov položaj, kar pomeni, da mora imeti stabilen del, ki lahko služi kot nekakšen ročaj. Tako orodje bi pritrdili na molekularno robotsko roko, o kateri smo govorili zgoraj, in bi jo premaknili nad atome vodika, ki bi ga radi odstranili.
Takšne radikale lahko enostavno poiščemo v tabeli moči vezi (bond strength) v Handbook of Chemistry and Physics: izberemo si molekulo, v kateri je čvrsta vez z vodikom. Če bi v taki molekuli odstranili atom vodika, bi dobili natančno to, kar potrebujemo, namreč radikal z zelo visoko afiniteto do vodika. Tako najprej pridemo do fluora. Atomski fluor ima sicer res zelo visoko afiniteto do vodika, zato pa ni nobenega enostavnega načina, po katerem bi lahko nanj pritrdili ročaj. Zato iščemo dalje in pridemo do acetilena, ki tvori drugo najmočnejšo vez z vodikom. Tukaj pa imamo srečo. Ne samo, da ima acetilnov radikal visoko afiniteto do vodika, prav tako ima tudi stabilen del, ki ga lahko spremenimo v ročaj (poglejte ilustracijo zgoraj).
Drexler je prišel do takšnega zaključka že v zgodnjih osemdesetih letih. Ralph Merkle (avtor tega besedila, op. prev.) je kasneje neodvisno uporabil ta način razmišljanja in prišel do istih zaključkov. Začetno testiranje te zamisli je bilo opravljeno s pol empiričnimi računi pri Xerox PARC na delovnih postajah s prosto dostopnimi programi. Pogovori z Billom Goddardom in člani njegove skupine za molekularno modeliranje pri kalifornijskem inštitutu za tehnologijo (Caltech) so vodile k bolj natančnim izračunom z uporabo visokonivojskih ab initio metodami kvantne kemije na bolj zmogljivih računalnikih. (Te metode imajo zanimivo lastnost, da konvergirajo k pravilnemu rezultatu, če uporabimo dovolj računske moči.) Drexler je objavil te rezultate v Nanosystems leta 1992. Skupina pri NRL ([National Research Laboratory]), ki se ukvarja z gojenjem kristalov diamanta, je ocenila ta predlog kot zanimiv in je modelirala odstranjevanja vodika pri sobni temperaturi s kvalitativno drugačnim računskim modelom obnašanja molekul (modeliranje vedenja več stotih atomov v bližini odstranjevanja). Ker so rezultati treh različnih računalniških modelov vrnili isti kvalitativni odgovor in ker se ti rezultati ujemajo z našim intuitivnim pričakovanjem o tem, kar bi se moralo zgoditi, je varno trditi, da bo takšno orodje za odstranjevanje vodika (ko ga bomo nekega dne končno naredili) delovalo v skladu z našimi pričakovanji.
Orodje za odstranjevanje vodika prikazuje nekatere zamisli, ki so skupne tudi drugim predlaganim orodjem za gradnjo diamanta. Kot prvo ima orodje reaktiven del, ki ga približamo delu molekule, ki ga obdelujemo, in inerten del, ki ga drži molekularna naprava za nadzorovanje lege. Drugič, kraj delovanja orodja nadzorujemo z molekularno napravo za nadzorovanje lege. In tretjič, okolica orodja je tudi sama inertna (možni predlogi običajno omenjajo vakuum ali pa kakšen žlahtni plin). Inertno okolje preprečuje reaktivnemu orodju, da bi reagiralo s čim nezaželenim.
Poleg orodja za odstranjevanje vodika, ki ustvari zelo reaktivno mesto na površini, potrebujemo še orodje, ki bo tja pritrdilo enega ali več atomov ogljika. Eden od predlogov je orodje za odlaganje dimerjev ("dimer" je enostavno skupek dveh gradnikov. Tukaj sta to dva atoma ogljika povezana s trojno vezjo.). Orodje za odlaganje dimerjev je preprosto dimer z dvema šibkima vezema na podporno strukturo. Drexlerjev predlog je prikazan na [levi]. Drugačno orodje za odlaganje dimerjev pa je na [desni], ima pa še posebno šibke vezi do dimera.
Sedaj bomo opisali, kako lahko združimo uporabo orodja za odstranjevanje vodika z orodjem za odlaganje dimerjev. To naredimo v treh korakih. Začnemo s hidrogenirano (111) površino diamanta. (Zapis (111) predstavlja določeno ploskev kristala diamanta. Diamant se lahko razkolje le vzdolž določenih ravnin. Ker imajo te ravnine površine z različnimi lastnostmi, je pomembno povedati, o kateri govorimo.) Potem uporabimo orodje za odstranjevanje vodika, s katerim odstranimo dva sosednja atoma vodika. Končno uporabimo orodje za odlaganje dimerjev, s katerim položimo dva atoma ogljika na površino - oba skrajna konca ogljikovega dimerja tvorita na začetku enojno vez z orodjem. Dve prosti vezi na površini sta zelo reaktivni in reagirata s koncema ogljikovega dimerja. Tedaj se zlomijo vezi med dimerjem in orodjem za odlaganje dimerjev, vezi v orodju se preoblikujejo, kar preprečuje, da bi končali z dvema prostima radikaloma na orodju samem. Na koncu je ogljikov dimer premeščen z orodja na površino. Naslednja ilustracija prikazuje odlaganje dimerja na majhen skupek atomov, ki predstavlja površino (111) diamanta. (Ker so točni ab initio računi računsko cenejši za majhen skupek atomov, naslednje ilustracije prikazujejo le atome, ki so neposredno vpleteni v reakcijo.)
Tukaj pričnemo z ravno površino diamanta in dodamo nanjo dva ogljikova atoma. To lahko ponovimo tudi na drugih mestih. O komputacijskem raziskovanju zadnjega koraka je pred kratkim poročal Stephen Walch na delavnici o komputacijski nanotehnologiji, ki jo je sponzorirala NASA v okviru programa NAS [?]. Ker je energija, ki se pri tem sprosti, velika v primerjavi s termičnim gibanjem (z drugimi besedami, reakcija je zelo eksotermna), je zelo malo verjetno, da bi prišlo do inverzne reakcije. Pa tudi meja, da pride do reakcije ni visoka. Ti lastnosti skupaj pomenita, da reakcije ni težko povzročiti in da je ireverzibilna. Dimer bo "preskočil" na površino diamanta in bo ostal tam.
Tretje predlagano orodje je orodje za vstavljanje karbenov (carbene insertion tool). (Karbeni so dvovalentne ogljikove spojine, ki formalno nastanejo s prelomom dveh kovalentnih vezi.) "Ne bi bilo pretirano trditi, da bodo karbeni igrali glavno vlogo v današnjih prizadevanjih kemikov, da bi naredili verjetno vse, kar so si zaželeli." (W.J. Baron) Karben, katerega položaj bi lahko nadzirali, bi bil veliko bolj uporaben, saj bi z njim lahko povzročili reakcijo kjer koli na molekularni strukturi, ki bi jo sestavljali. Karbeni so zelo reaktivni in zlahka jih lahko vstavimo v dvojne in trojne vezi. Lahko bi povzročili reakcijo, pri kateri bi vstavili karben v zgoraj opisani dimer. To je prikazano v naslednji skici. (Nekateri vmesni koraki v poteku reakcije so izpuščeni, da bi bila ilustracija bolj jasna.)
Četrti predlog je orodje za odlaganje vodika (hydrogen deposition tool). Medtem ko je orodje za odstranjevanje vodika namenjeno spreminjanju inertne strukture v reaktivno z ustvarjanjem prostih vezi, pa ima orodje za odlaganje vodika ravno nasprotno uporabo: z njim bi naredili reaktivno površino inertno. To bi naredili z zaključevanjem prostih vezi z vodikovimi atomi. Takšno orodje bi lahko uporabljali med procesom izdelave za utrjevanje struktur, ki bi se sicer lahko spontano in nezaželeno deformirale, ali pa na koncu, za utrditev končnega izdelka.
Imamo veliko kandidatov za takšno orodje: to so vse molekularne strukture, ki imajo šibko vez z vodikovim atomom. Še posebej zanimiv je svinec: vez svinec-vodik je zelo šibka in orodje za odlaganje vodika, osnovano na svincu, bi bilo zelo učinkovito.
Ta štiri orodja bi nam torej omogočila:
Togi ogljikovodiki kot študijski model
Opisana molekularna orodja bi zadostovala za izdelavo zelo širokega razpona različnih togih ogljikovodikov. Zaradi tega bi se lahko omejili na poenostavljen model nanotehnologije, ki bi ga imenovali "nanotehnologija na podlagi ogljikovodikov". Pri tej poenostavljeni različici bi lahko izdelovali stvari samo iz ogljika in vodika - to je veliko manj ambiciozen cilj kot izdelava predmetov iz vseh približno stotih elementov iz periodnega sistema. Toda omejitev na to manjšo skupino nam omogoča poenostaviti analize struktur, ki bi jih lahko izdelali, in reakcij, ki bi jih pri tem potrebovali. To področje bi lahko brez večjih težav in bolj temeljito preučili kot pravo nanotehnologijo.
Nanotehnologija na podlagi ogljikovodikov pa ohranja nekatere ključne lastnosti splošne nanotehnologije. Diamant in njegova nedrobljiva oblika še vedno spadata v ta okvir. Ta podvrsta nanotehnologije zadostuje za izdelavo osnovnih mehanskih naprav, kot so oporniki, ležaji, prestavni mehanizmi, robotske roke in podobno.
Pogosto je koristno razširiti skupino ogljikovodikov. Radi bi naredili molekularne strukture, ki so podobne diamantu, a vključujejo še nekatere druge elemente. Morda bi potrebovali dodatek nečistoč (na primer za elektronske naprave iz diamanta) ali pa bi prekrili površino ležaja s fluorom. Morda bi želeli zvijati diamantno strukturo in bi radi v notranjosti dodali nekaj silicija, da bi jo razbremenili napetosti (vez silicij-ogljik je daljša kot vez ogljik-ogljik, torej lahko z dodatkom silicija neko področje "napihnemo"). Podobno bi lahko ležaje razbremenili z dodatkom dušikovih atomov v notranji ploskvi (vez ogljik-dušik je malenkost krajša od vezi ogljik-ogljik). Vse te možnosti združimo pod okriljem izraza "diamantoidi". Diamantoidni materiali so prvenstveno narejeni iz naslednjih elementov: vodika, elementov iz prve vrstice periodnega sistema, kot so ogljik, dušik, kisik in fluor, in elementov iz druge vrstice periodnega sistema, kot so silicij, fosfor, žveplo in klor; skupaj pa bi jih držale številne močne kovalentne vezi. Samo z desetimi elementi lahko naredimo diamantoidne strukture s prav presunljivo uporabnimi lastnostmi.
Samorazmnoževanje - kako izdelovati stvari poceni
Nadzorovanje lege skupaj z ustreznimi molekularnimi orodji bi nam omogočilo narediti zares vznemirljivo število različnih molekularnih konstrukcij - toda majhno število molekularnih naprav, katerih izdelava bi terjala veliko finančnih sredstev, bi si le stežka zaslužilo naziv revolucija v produkciji. Kako bi lahko omejili stroške?
Krompir je pravi čudež biologije z deset tisoči genov in proteinov ter zamotanimi molekularnimi mehanizmi, toda tega prav nič ne cenimo, medtem ko ga jemo. Krompir, kot mnogi drugi kmetijski izdelki, stane manj kot sto tolarjev na kilogram. Hitro lahko razumemo, zakaj stane tako malo: potrebujejo le nekaj zemlje, vode in sončne svetlobe in iz enega krompirja (gomolja) jih dobimo veliko več.
Če bi lahko naredili splošno namensko napravo za proizvodnjo (manufacturing device), ki bi jo lahko programirali in ki bi se bila zmožna reproducirati (avtor teksta vendarle dela pri Xeroxu...), bi bili stroški izdelave naprave same in vsega, kar bi te naprave znale narediti drugega, zelo nizki - verjetno ne višji od stroškov z gojenjem krompirja.
Drexler je imenoval takšne naprave "monterji" ("assemblers").
Prvo resno analizo sistemov, zmožnih samorazmnoževanja, je opravil že von Neumann v štiridesetih letih. Izpeljal je podrobno raziskavo enega takšnih sistemov v teoretičnem modelu celičnega avtomata (Najbolj znan primer modela celičnega avtomata je Conwayeva Igra življenja (Game of Life), ki jo igramo na velikanski šahovnici in pri kateri upoštevamo enostaven skupek pravil, ki določajo, kaj se zgodi v vsakem razdelku šahovnice pri vsakem časovnem koraku.). Von Neumann je v svojem modelu celičnega avtomata uporabil univerzalni računalnik za nadzor in "univerzalen graditelj" ("universal constructor") za gradnjo novih avtomatov. "Univerzalni graditelj" je bila robotska roka, ki se je lahko pod računalniškim nadzorom premikala v dveh dimenzijah in spreminjala stanja celice pod njo. S sistematičnim premikanjem naprej in nazaj je roka lahko "sezidala" kakršno koli strukturo, za katero je bil računalnik programiran. V svojem tridimenzionalnem "kinematskem" modelu je von Neumann obdržal zamisel o napravi za nadzor lege (ki pa se je v tem primeru lahko premikala v treh dimenzijah) in računalniku, ki jo nadzira.
Študija, ki so jo opravili pri Nasi leta 1980, je razširila splošne von Neumannove zaključke, ugotovili pa so, da bi bilo možno narediti popolnoma avtomatiziran stroj za rudarstvo in proizvodnjo na Luni, ki bi se lahko razširil sam s pomočjo svojih sposobnosti za kopanje rud in sestavljanje novih naprav. Takšen stroj bi lahko naredili s proračunom velikim več milijard dolarjev v nekaj desetletjih. (Takšen finančni in časovni okvir je bil celo primerljiv z drugimi predlaganimi vesoljskimi projekti tistega časa.)
Arhitektura Drexlerjevega monterja je specializacija bolj splošne arhitekture, ki jo je predlagal von Neumann. Kot v prejšnjem primeru imamo tukaj računalnik in graditelj, toda tukaj se je računalnik skrčil v "molekularni računalnik", graditelj pa združuje dva dela: robotsko napravo za nadzor lege (kot je na primer robotska roka, o kateri je bil govor zgoraj) in dobro določena množica kemičnih reakcij, ki jih lahko sprožimo na konici naprave za nadzor lege (kot so reakcija odstranjevanja vodika in druge reakcije, ki jih potrebujemo pri sintezi diamanta).
Kompleksnost sistema za samorazmnoževanje ni nujno pretirana. Tukaj lahko kompleksnost merimo kar z velikostjo v bajtih "recepta", ki popolnoma opiše, kako lahko naredimo sistem. Kompleksnost monterja ne rabi biti nujno zunaj mej današnjih inženirskih zmožnosti. Kot je prikazano v naslednji tabeli, je več samorazmnoževalnih sistemov, katerih kompleksnost bi lahko že danes popolnoma obvladali. Drexler je ocenil kompleksnost svojega prvega predloga monterja na okoli 10,000.000 bajtov. Ta številko pa bi bilo moč tudi zmanjšati.
| Von Neumannov univerzalni graditelj | Okoli 60.000 |
| Internetski črv | 60.000 |
| Mycoplasma capricolum | 200.000 |
| E. Coli | 1.000.000 |
| Drexlerjev monter | 12.000.000 |
| Človeško bitje | 800.000.000 |
| Nasin sistem za rudarstvo na Luni | Preko 10.000.000.000 |
Kaj je "kompleksnost" živega bitja? Za nas bo to kar število bajtov, ki zadoščajo, da zapišemo genetski načrt. Ker imamo za vsak par baz DNK štiri možnosti, to ustreza dvema bitoma. En bajt lahko torej zapišemo s štirimi pari baz in obratno. To pomeni, da lahko preštejemo število parov baz v DNK, delimo to število s štiri in dobimo dolžino genetskega zapisa izraženo v bajtih. Za mycoplasma capricolum (prokariotični mikroorganizem), ki ima okoli 800.000 parov baz, je ta dolžina na primer 200.000 bajtov. Pri ljudeh, ki imajo po približno 3,2 milijarde parov baz, pa je dolžina okoli 800 milijonov bajtov. (Tu upoštevamo, da ima sicer vsaka celica v telesu DNK od obeh staršev, toda večina genov je enakih. Zato tu štejemo le DNK, ki prihaja ob enega od staršev.) Kompleksnost in sofisticiranost večine živih bitji je veliko večja, kot kompleksnost, ki bi jo morali biti sposobni obvladati, da bi dosegli nizke proizvodne stroške. Kompleksnost človeškega genoma ni povezana samo s samorazmnoževanjem: ljudje delajo še marsikaj drugega poleg tega, da se razmnožujejo!
Kompleksnost internetskega črva ("Internet worm") je približna dolžina njegovega programa, napisanega v jeziku C. Ker deluje v okolju, ki je zelo strukturirano in ki nudi relativno lahek dostop do kompleksne in sofisticirane programske opreme, bi lahko trdili, da je njegova kompleksnost veliko manjša od kompleksnosti sistema, ki deluje v "enostavnem" okolju. Vseeno pa bomo ta zanimivi podatek pustili v tabeli. Takšna trditev velja v veliko manjši meri za von Neumannov univerzalni graditelj, ki deluje v enostavnem okolju, sestavljenem iz velike dvodimenzionalne šahovnice, katerega razdelki so v enem izmed končno mnogih možnih stanj. Njegova kompleksnost je približno število bajtov, s katerimi bi lahko opisali graditelj. Kompleksnost Nasinega sistem za rudarstvo na Luni je ocenjeno v študiji, ki so jo naredili pri Nasi.
Kaj bomo lahko naredili?
Večina letal je danes narejenih iz kovinskih materialov, čeprav je razmerje med trdnostjo in težo pri diamantu petdesetkrat večja, kot pri aluminiju, ki se uporablja v letalski in vesoljski industriji. Diamant je drag, ne moremo ga narediti v zaželeni obliki in rad se drobi. Nanotehnologija nam bo omogočila poceni narediti nedrobljiv diamant (katerega struktura je podobna diamantnim vlaknom) poljubne oblike. Tako bi lahko naredili Boeing 747, ki bi brez tovora in potnikov tehtal približno petdesetkrat manj, vendar bi bil enako trden.
Potovanja v vesolje so danes zelo draga in na voljo le redkim. Nanotehnologija bi dramatično znižala stroške in izboljšala zmogljivost vesoljskih ladij in možnosti vesoljskih poletov. Razmerje med trdnostjo in težo ter ceno sestavnih delov so tukaj zares kritičnega pomena za učinkovitost in ekonomičnost vesoljskih plovil: z nanotehnologijo bi oba parametra izboljšali za eno ali celo dve velikostni stopnji. Če bi izboljšali samo ta parametra in nič drugega (torej, če se ne zmenimo za druge prednosti, ki bi nam jih prinesla nanotehnologija), bi lahko izboljšali splošno razmerje med stroški in učinkovitostjo za več kot tri velikostne stopnje. Iz teh razlogov so pri ameriškem Državnem društvu za vesolje (National Space Society, NSS) izrazili podporo razvoju nanotehnologije, podobno je storil tudi Dan Goldin, glavni upravitelj agencije Nasa, v NAS pri Nasinem razvojnem centru Ames (Ames Research Center) pa so začeli projekt, katerega cilj je raziskati molekularne stroje in sisteme za proizvodnjo s pomočjo računalniških modelov.
Poleg tega, da bo nanotehnologija omogočila izdelavo izrazito lahkih in trdnih materialov za vesoljske ladje, bo prinesla tudi izredno zmogljive računalnike, s katerimi bomo lahko krmilili te ladje in izvajali veliko število drugih dejavnosti v vesolju.
Danes izdelujemo računalniške čipe z litografijo, kar dobesedno pomeni "pisanje s kamni". To je naša najbolj natančna proizvodna tehnologija, toda kaže, da obstajajo meje, preko katerih je ne bomo mogli več izboljševati. Pri litografiji rišemo tanke črte po tanki plošči silicija (silicon wafer) s postopkom, podobnim tistim pri fotografiji. Po plošči razmažemo plast, občutljivo na svetlobo (imenovano "resist"). Potem jo osvetlimo z zapletenim vzorcem svetlobe in senc, kot to storimo z negativom v fotografskem aparatu, in jo razvijemo. Osvetljen resist odplaknemo in na površino nanesemo posebno kemikalijo. Kjer je bil resist odstranjen, se kemikalija zažre v tanko plast silicija, drugod pa ga ne doseže. Na koncu odstranimo nepotrebne kemikalije in dobimo končni izdelek: natančen vzorec zaželene kemikalije je razprostrt na silicijevi površini. S ponavljanjem postopka lahko naredimo zapleteno množico prepletenih vzorcev, ki sestavljajo kompleksne elemente računalniške logike.
Če se bo revolucija računalniške strojne opreme nadaljevala z enako hitrostjo kot danes, bomo morali čez kakšno desetletje zamenjati litografijo s kakšno post-litografsko proizvodno tehnologijo. Z izdelavo vzorcev na resistu in brizganjem kemikalij enostavno ne moremo namestiti atomov z največjo možno natančnostjo. Potrebovali bomo bolj precizne postopke. Na koncu bodo vsaka logična vrata sestavljena iz le nekaj atomov. Zasnove za logična vrata z manj kot tisoč atomi so že bile izdelane - toda čisto vsak atom v tako majhni napravi mora biti na natančno pravem mestu. Da bi izdelali in med seboj povezali v kompleksen tridimenzionalen vzorec bilijone tako majhnih in natančnih naprav, bomo potrebovali tehnologijo, ki je onkraj današnje litografije: potrebovali bomo nanotehnologijo. S takšno tehnologijo bi lahko naredili naprave za shranjevanje podatkov, na katere bi lahko posneli sto milijard milijard bajtov na prostornino velikosti kocke sladkorja in masovno paralelne računalnike iste velikosti, ki bi lahko izvršili milijarde milijard ukazov na sekundo.
Danes so "pametna" orožja razmeroma velika - imamo "pametno" bombo, ne pa tudi "pametnega" naboja. V prihodnosti bi lahko imeli orožje, ki ne bi bilo večje od enega samega naboja, imelo pa bi večjo računalniško moč kot največji super računalniki današnje dobe. To bi lahko omogočilo analizo slik okolice v realnem času, komuniciranje s sistemi za sledenje orožja in navigacijo do tarče z veliko natančnostjo. Prav tako bomo sposobni izdelati orožja ceneje in hitreje, pri tem pa bomo tudi izkoristili do popolnosti izvrstne materialne lastnosti diamanta. Hitra in poceni izdelava velikih količin močnejšega in natančnejšega orožja, ki bi jih krmilili izboljšani računalniki, bo spremenila način vojskovanja. Tako velike spremembe bi lahko povsem nepredvidljivo porušile ravnovesje med obstoječimi strukturami moči.
Zaradi možnosti zlorabe nanotehnologije v vojaške namene bi morali pretehtati to vprašanje, še preden razvijemo novo tehnologije. Čeprav še dolgo ne bomo imeli molekularne proizvodnje, bo njen očiten vojaški potencial vedno bolj pritegoval pozornost strategov. V svojem govoru z naslovom "Nanotehnologija in globalna varnost" na četrti Foresightovi konferenci o molekularni nanotehnologiji je upokojeni Admiral David E. Jeremiah, bivši podpredsednik glavnega štaba ameriške vojske, povedal: "Vojaške uporabe molekularne proizvodnje imajo v primerjavi z atomskim orožjem še večjo sposobnost spremeniti razmerja moči." Glede na to, da je le malo verjetno, da nikoli ne bo prišlo do razvoja vojaških uporab te tehnologije, bi bilo varneje čim bolj zgodaj vzpodbuditi zanimanje za to pri organizacijah, ki niso nagnjene k zlorabi svoje moči in ki bi bile sposobne preprečiti zlorabo pri drugih.
Danes pridobivamo energijo iz izkopanega premoga in izčrpane nafte, s pomočjo zajezenih rek in z izgorevanjem jedrskega goriva v jedrskih elektrarnah. Toda sončni žarki bi nam lahko dali na voljo za kar nekaj velikostnih stopenj več energije, kot je danes porabimo - in to na čist in poceni način - če bi le lahko naredili cenene sončne celice in baterije. Že danes znamo narediti sončne celice z dovolj visokim izkoristkom, da bi jih lahko praktično uporabljali: so pa na žalost predrage. Z nanotehnologijo bomo zmanjšali stroške izdelave celic samih in opreme, ki bo omogočila razširitev njihove uporabe. Tako bi postala sončna energija ekonomičen vir energije. V tem primeru ni treba razviti novih ali tehnično boljših celic - zadostovalo bi, če bi lahko poceni naredili to, kar je danes predrago. To bi omogočilo vsesplošno uporabo sončnih žarkov kot energetskega vira.
Naša kirurška orodja so velika in groba na ravni mikroskopskega sveta, čeprav je celični in molekularni ustroj našega tkiva droben in natančen. Obstaja torej veliko neskladje med zmožnostmi pripomočkov in orodij, ki bi jih potrebovali za zdravljenje poškodb našega tkiva. Z vidika naših celic so današnji skalpeli velikanske kose, ki kosajo in trgajo, namesto da bi popravljali in zdravili. Z rezanjem po tkivu pustimo za sabo veliko mrtvih in poškodovanih celic. Kirurgija je uspešna samo zaradi izjemne lastnosti celic, da se pregrupirajo, pokopljejo mrtve celice in tako omogočijo celjenje rane.
Sodobna medicina ne zdravi, to naredijo celice same: mi smo pri tem samo opazovalci. Če bi imeli kirurška orodja, ki bi bila molekularne velikosti in natančnosti, bi lahko končno razvili medicinsko tehnologijo, ki bi nam omogočila neposredno zdraviti rane na ravni molekul in celic, kjer tičijo osnovni vzroki bolezni in slabega zdravja. Kombinacija učinkovitih zdravil in inteligentnega krmiljenja kirurškega skalpela bi lahko prinesla velikanski korak naprej v naših sposobnostih zdravljenja.
Nanotehnologija bi morala omogočiti izdelavo stari, ki bi bile hitrejše, lažje, trše, pametnejše, bolj varne in bolj čiste kot današnji industrijski izdelki. Tukaj našteti primeri prikazujejo le nekatere od možnih izboljšav. Težje je predvideti nove izdelke, ki bodo reševali nove probleme na nove načine: njihov vpliv pa bo verjetno velikanski. Bi Edison lahko bil predvidel razvoj računalništva, Newton pa komunikacijske satelite?
Povzetek o ključni tehnologiji
Sedaj si lahko predstavljamo obris tehnologije molekularne proizvodnje. Samorazmnožujoči se monterji bi pod računalniškim nadzorom omogočili poceni izdelavo novih monterjev. Prav tako bi jih lahko programirali za izdelavo drugih izdelkov. Monterji uporabljajo programiramo nadzorovanje lege za premikanje molekularnih orodij in sestavnih delov, kar omogoča poceni izdelavo večino struktur v skladu s fizikalnimi zakoni. Predvsem diamantoidni materiali bi postali poceni in splošno uporabni, njihove odlične lastnosti pa nas bosta pripeljala v "diamantno dobo".
Smeri razvoja
V zgornjem opisu nanotehnologije nismo namenili prav dosti pozornosti možnim razvojnim potem, ki bi omogočile prehod iz današnje tehnologije k "zrelim" sistemom za poceni izdelavo diamantoidnih struktur. Našteli smo predloge, ki se tičejo cilja: sistema, ki je zmožen poceni izdelovati diamantoidne strukture. Tako smo prišli do splošno uporabnega sistema za proizvodnjo, ki v vakuumu izkorišča zelo reaktivna orodja, katerih lego natančno nadziramo, in ki se lahko sam razmnožuje.
V naših razglabljanjih nismo upoštevali omejitve, da mora biti sistem takšen, da ga lahko enostavno izdelamo z današnjo tehnologijo - in ta težava res ni majhna. Toda nekako moramo narediti te sisteme, če bi jih radi uporabili -vendar kako? Da bo bralec imel približen občutek, koliko truda bomo morali vložili v to, lahko primerjamo zahteve za "zrel" sistem z današnjimi zmožnostmi.
Zrel sistem mora biti sposoben izdelati monterja, sestavljenega iz več sto milijonov (ali celo milijard) atomov in pri tem mora biti čisto vsak atom na svojem mestu. Pri vsakem proizvodnem koraku uporabimo le majhno število atomov (ali celo enega samega - odstranjevanje vodika, vstavljanje karbena). Razmerje med številom napak in številom korakov mora biti nizko (manj kot ena napaka na milijardo korakov), sicer bomo potrebovali postopke za prepoznavanje napak in njihovo odpravljanje.
Splošno pravilo je, da je lažje nekaj narediti prav že prvič, kot pa nekaj narediti narobe in potem popravljati napake. Če lahko izbiramo med proizvodnim sistemom, pri katerem je število napak dovolj majhno, da bo večina končnih izdelkov delovala pravilno že takoj, in postopkom, ki zahteva komplicirano odkrivanje napak in njihovo popravljanje, je seveda boljša prva možnost. Med preučevanjem bistvenih vzrokov za napake pri proizvodnji diamantoidnih izdelkov (in še posebej monterjev) je bilo ugotovljeno, da bi bilo verjetno možno doseči dovolj nizko raven napak. Tedaj bi lahko monter izdelal drugega z zelo visoko verjetnostjo za uspeh brez uporabe prepoznavanja in odpravljanja napak: zato dajejo razvojni modeli prednost enostavnejšim in bolj učinkovitim pristopom. Če pa bi prišli do drugega sklepa, in sicer da ne bi mogli znižati stopnje napak pod ena proti milijarda, potem bi morali spremeniti razvojni model. Izdelovali bi lahko manjše gradnike, katerih velikost bi bila v skladu s stopnjo napak, uporabili pa bi še ustrezne mehanizme za testiranje gradnikov, ki bi zavrgli nedelujoče, in mehanizem za sestavljanje gradnikov v večje sisteme.
Takšen razmislek nas vodi k načrtom za monterje, pri katerih je stopnja napak (error rate) zelo nizka. Tako nizke stopnje napak temeljijo na predpostavki, da že lahko uporabljano diamantoidne nanomonterje. Na žalost jih še nimamo. Še slabše, z današnjo tehnologijo bi težko dosegli tako nizko stopnjo napak. Za kemike je že zelo dobra sinteza, pri kateri je izkoristek 99%. Sinteza proteinov iz amino kislin v ribosomih ima stopnjo napake, ki je verjetno okoli 1:10.000. Podvajanje DNK z uporabo učinkovitih postopkov za zaznavanje in odpravljanje napak in že obstoječa redundantnost (DNK ima dve komplementarni verigi) omogočata stopnjo napak, ki je okoli ena proti milijarda (to pa je odvisno še od dejanskih okoliščin, pri katerih poteka podvajanje).
Velikost struktur, ki jih lahko brez napake sestavimo z današnjimi tipalnimi mikroskopi, je manjša kot velikost struktur, ki jih znajo narediti kemiki. Pri prvem takšnem poskusu je bilo premaknjenih 35 atomov ksenona na površini niklja v vakuumu pri temperaturi 4K: z atomi so napisali črke "IBM". Na Japonskem so kasneje z atomi napisali "NANO SPACE" pri sobni temperaturi v vakuumu, tako da so odstranjevali posamezne atome žvepla s površine. Pred kratkim je bilo šest molekul urejenih v šestkotniški vzorec v vakuumu pri sobni temperaturi. Ker je vsaka molekula imela po 173 atomov, je bilo v tem modularnem pristopu premaknjenih več kot 1000 atomov. Čeprav so to res veliki uspehi, pa vseeno nismo videli na ta način napisanih celih stavkov, kaj šele odstavkov ali celo knjig. Tipalni mikroskopi lahko "vidijo" strukturo, ki jo gradimo. Pri opisanih dosežki so to uporabili za povratno informacijo, ki jo je izkoristil uporabnik mikroskopa za prepoznavanje in odstranjevanje napak.
Na kratko, z današnjimi tipalnimi mikroskopi lahko izdelamo strukture, katerih velikost je le majhen delček velikosti predlaganih monterjev, pa tudi stopnja napak je tako velika, da je potrebno uporabljati zelo sofisticirane načine prepoznavanja in odstranjevanja napak.
Težave pa prinaša tudi zahteva, da so osnovne operacije opravljene hitro. Če naj bi monter naredil kopijo samega sebe približno v enem dnevu, in če je za to potrebno sto milijonov milijard operacij, potem mora biti vsaka taka operacija izvršena v delčku milisekunde. Ribosomi potrebujejo več deset milisekund, da dodajo eno samo aminokislino na rastoči protein. S sedanjimi tipalnimi mikroskopi lahko potrebujemo tudi več ur, da premaknemo nekaj atomov in molekul.
Poleg tega pa nam vakuum onemogoča uporabo samosestavljanja in drugih tehnik, ki temeljijo na raztopinah. Očitno je, da v začetku ni dobro zavreči tako mogočna orodja.
Čeprav hitrost, zanesljivost in delo v vakuumu niso nepremagljive ovire, je zaključek vseeno očiten: praktično nemogoče je sestaviti diamantoiden monter s pomočjo današnje tehnologije. Mogoče bi morali proti nanotehnologiji iti postopoma, namesto da bi skušali narediti en sam velikanski korak. V ta namen bi bilo treba določiti enega ali več vmesnih sistemov, ki bi jih bilo lažje narediti s pomočjo naše tehnologije in ki bi nam omogočali izdelavo močnejših sistemov od njih samih. Tako bi dobili niz vmesnih stopenj, ki bi znale narediti naslednji sistem v verigi.
Pri enem od možnih pristopov zavržemo zahtevo, da je monter sestavljen iz diamantoidnih struktur. Te smo želeli uporabljati zaradi njihovih odličnih mehanskih in električnih lastnosti, toda od vmesnih sistemov ne pričakujemo nič drugega, kot da sestavijo bolj napreden sistem. Zato ni nujno, da bi bil vmesni sistem tudi sam diamantoid.
Tako pridemo do nanotehnologije na podlagi gradnikov ("building block based nanotechnology"). Namesto diamanta bomo izdelali kakšen drug material iz relativno velikih molekulskih gradnikov: več deset, sto ali celo tisoč atomov. Večji gradniki zmanjšajo število korakov, ki so potrebni pri gradnji, tako da zadostuje že manjše število osnovnih operacij, ki so poleg tega lahko tudi nekoliko manj natančne. Gradniki, ki jih lahko raztopimo in ki imajo selektivne lepljive dele (taki gradniki se lahko staknejo samo z drugimi gradniki, ne pa s topilom ali nečistočami), nam omogočajo odpraviti potrebo po vakuumu. Vsekakor pa imamo kar široko izbiro. Vzamemo lahko namreč katero koli molekulo z ustreznimi lastnostmi, ki jo kemiki znajo sintetizirati. Krummenacker je ugotovil, da bi moral vsak gradnik imeti vsaj tri dele, s katerimi bi se lahko spojil z drugimi (polimeri, ki jih najdemo v bioloških sistemih, proteini, DNK, RNK,... imajo samo dva takšna spojna dela. Če bi imeli še tretjega, bi bila izdelava trirazsežnih struktur veliko lažja.) Čeprav bi lahko gradnike sestavljali s pomočjo kakršnekoli reakcije, je še posebej zanimiva Diels-Adlerjeva reakcija. Do te, kemikom sicer dobro poznane reakcije, lahko pride v večini topil (in celo v vakuumu). Gre za reakcijo med dienom (diene) in dienofilom (dienophile). Reakcija je selektivna: dien in dienofil reagirata med seboj, le redko pa tudi z drugimi kemijskimi skupinami (glej zgornjo Krummenackerjevo ilustracijo). Ker deluje v vakuumu in ker ne pusti za seboj kakšnih majhnih molekul (kar bi uničilo vakuum), jo lahko uporabimo tako v vmesnih sistemih v raztopinah kot tudi v poznejših sistemih, ki v vakuumu izdelujejo diamantoidne materiale.
Sistemi v raztopinah bi lahko uporabljali nadzorovanje lege za sestavljanje gradnikov, lahko pa uporabimo tudi metodo samosestavljanja. Pomembno je, da bi s samosestavljanjem lahko naredili napravo za nadzorovanje položaja. Če bi vprašali kakšnega strokovnjaka s tega področja, ali bi bilo s samosestavljanjem možno narediti robotsko roko, bi bil odgovor nikalen. Če pa bi namesto tega vprašali, ali bi bilo možno s samosestavljanjem narediti oktaeder, bi lahko povedali, da je Nadrian Seeman z univerze v New Yorku že dosegel samosestavljanje molekul DNK v prisekan oktaeder in namerava to ponoviti in narediti pravilen oktaeder (s tem se ukvarja iz razlogov, ki nimajo prav dosti opravka z nadzorovanjem lege). Za to je leta 1995 dobil Feynmanovo nagrado za nanotehnologijo.
Kot smo videli, je oktaeder osnovna struktura, ki jo potrebujemo pri Stewartovih ploščadih. Prirezan oktaeder (ki ima tudi netrikotne ploskve) ni tako trden kot pravilen. Pa tudi pravilen oktaeder bi bil verjetno premehek za našo uporabo zaradi omejene togosti molekul DNK. Poleg tega ne moremo nadzorovati dolžine stranic (kar bi potrebovali za nadzor lege ploščadi glede na podstavek). Vseeno pa bi bilo najbrž veliko lažje s samosestavljanjem narediti Stewartovo ploščad, s katero bi lahko sestavljali molekularne gradnike, kot pa neposredno narediti diamantoiden monter, ki bi znal v vakuumu izdelovati diamant. Obstaja več rešitev naših težav z nezadostno trdnostjo in rešitev za nadzorovanje dolžine stranic. Na togo molekularno strukturo bi lahko obesili niti DNK s selektivno lepljivostjo. Tako bi lahko z DNK (ki je dobro raziskana in katere selektivna lepljivost je dobro poznana) nadzorovali proces samosestavljanja, toga molekularna struktura pa bi poskrbela za večjo trdnost. Za spreminjanje dolžine stranice bi potrebovali molekularne strukture, katerih oblika se spreminja v odvisnosti od svetlobe, pritiska, temperature, kemikalij ali kakšnega drugega zunanjega signala. Poznamo veliko takšnih struktur. Samosestavljanje Stewartove ploščadi s stranicami, katerih dolžino lahko z ustreznim mehanizmom signaliziranja spreminjamo, ni več izziv izven našega dosega.
Drugačen pristop za premikanje molekularnih gradnikov v raztopini je uporaba mikroskopov na atomsko silo (AFM, atomic force microscope). Ta vrsta tipalnega mikroskopa uporablja "pritiskanje" za izdelavo sliko. S tem da pritiska na vzorec in meri, kako močno se vzorec odziva, lahko AFM sestavi sliko trdih struktur (ne deluje pa dovolj dobro, ko je uporabljena sila tako velika, da deformira strukturo). Ker se AFM dotika površine, ki jo zaznava, lahko to površino tudi spreminja. V ta namen je dobro imeti natančen vpogled v molekularno sestavo konice, tako da lahko dobro določimo interakcijo med konico in površino.
Tako pridemo do "molekularnega manipulanta" (molecular manipulator). To je AFM s konico, na katero je pritrjeno protitelo (antibody). S tem da spremenimo protitelo na konici, spremenimo tudi tip molekul, ki se pritrdijo na konico. Če se lahko protitelo selektivno prilepi na določen molekularni gradnik, lahko torej premikamo molekularne gradnike s premikanjem konice mikroskopa. Uporabimo lahko katerega koli izmed številnih možnih gradnikov (danes znamo narediti protitelesa, ki se lahko pritrdijo na večino majhnih molekul). Tudi v tem primeru to ni izven dosega naše tehnologije.
Obstaja še ena možna pot razvoja, ki jo narekuje industrija polprevodnikov. Ta si želi izdelati še manjše tranzistorje kljub dejstvu, da bo optična litografija (metoda za izdelavo računalniških čipov, ki jo danes najbolj uporabljamo) dosegla svoje teoretične meje v nekaj letih. Danes izdelujemo tranzistorje tako, da "rišemo" zelo tanke črte na siliciju. Toda pri teh optičnih metodah postavlja mejo valovna dolžina svetlobe: nekaj sto nanometrov. Tipalni mikroskopi nam omogočajo izdelavo še manjših vezij z risanjem tanjših črt. To je že bilo preizkušeno pri risanju najbolj tankih in kritičnih črt v tranzistorjih. Če bi lahko ustrezno znižali stroške in povečali zanesljivost, bi dali tej industrijski veji novo zelo uporabno orodje. Samo po sebi to ni molekularna nanotehnologija. Toda če se naučimo risati tanke črte, pri katerih je vsak atom na svojem mestu (in obstajajo zelo dobri ekonomski razlogi, da bomo skušali iti v to smer), bomo isto tehniko lahko uporabili pri izdelavi molekularnih naprav. V začetku bi bilo opisano orodje zelo drago in uporabno samo v namene, pri katerih bi njegova neverjetna natančnost upravičila visoke stroške, toda sčasoma bi tako prišli do dovolj sofisticiranih naprav, da bi lahko naredili enostavne monterje.
Premikamo se iz dobe dragih in nenatančnih izdelkov v dobo poceni izdelkov z molekularno natančnostjo, naj bo to s pomočjo samosestavljanja, z izboljšavami tipalnih mikroskopov, s kakšnih mešanim pristopom, ali pa po kakšni povsem drugačni poti. Večino proizvodnih sredstev na tem svetu bomo zamenjali z bistveno drugačno in mnogo boljšo proizvodno tehnologijo.
Kritika
Trditve, da je nanotehnologija neizvedljiva, so dokaj redke in na splošno dokaj nestrokovne. Najbolj znane so navedbe Davida Jonesa, kemika, kolumnista pri reviji Nature. Bil je obširno citiran v članku o nanotehnologiji v reviji Scientific American, s trditvami kot so: "Posamezni atomi... so neverjetno premični in reaktivni. V trenutku se bodo združili z okoliškim zrakom, vodo, sami med seboj, s tekočino, v kateri so monterji, ali celo z monterji samimi." Vendar pa predlogi reaktivnih molekularnih orodij določajo, da mora biti okolje inertno (vakuum): okoliškega zraka, s katerim bi atomi lahko reagirali, sploh ni. Ker položaj molekularnih orodij nadzorujemo, ne bodo reagirali med seboj ali z monterjem samim iz istega razloga kot spajkalnik ne reagira s kožo uporabnika. Joneseve kritike vržejo večji dvom na njegovo poznavanje področja kot na možnost razvoja nanotehnologije. Ostale trditve o neizvedljivosti nanotehnologije so prav tako imele v oči bijoče pomanjkljivosti, ki spominjajo na uvodnik v časniku New York Times iz leta 1920, v katerem je zapisano, da ni možno poslati rakete na Mesec, ker v vesolju ni zraka, proti kateremu bi lahko pritiskali.
Kot naj bi bilo jasno iz tega besedila, resnično obstajajo velikanski tehnični izzivi, ki jih moramo premagati na naši poti proti nanotehnologiji, s pomočjo katere bi lahko izdelovali diamantoidne strukture. Resna vprašanja bi se morala torej ukvarjati z možnimi razvojnimi potmi in z ocenami časovne zahtevnosti.
Čez koliko časa?
Najbolj pogosto slišano vprašanje je: "Kdaj?" Kdaj bomo znali narediti molekularne računalnike? Kdaj bomo znali izdelati cenene sončne celice, ki nam bodo omogočile izkoriščanje čiste sončne energije namesto nafte, premoga in jedrskega goriva? Kdaj bomo lahko raziskovali vesolje brez večjih stroškov?
Znanstveno pravilen odgovor bi bil: Ne vem!
Vseeno pa je vredno omeniti, da so bili trendi v razvoju računalniške strojne opreme v zadnjih 50 letih presenetljivo ustaljeni. Parametri kot so:
so enakomerno padali, četudi se je tehnologija dramatično spreminjala. Od relejev do elektronk, tranzistorjev, integriranih vezij in vezij VLSI (zelo visoko integrirana vezja, Very Large Scale Integrated circuits), smo bili priče stalnemu padanju velikosti in cen logičnih elementov in stalnemu naraščanju zmogljivosti.
Ekstrapolacija trendov kaže na to, da bomo morali razviti molekularno proizvodnjo med leti 2010 in 2020, če pričakujemo, da se bo naša računalniška revolucija nadaljevala, kot je predvideno.
Seveda je ekstrapolacija zelo vprašljiva metoda predvidevanja sprememb v tehnologiji. Čeprav ni naravnega zakona, ki bi nam preprečeval, da v tem času razvijemo nanotehnologijo, pa tudi ni razloga, da ne bi bilo zastoja.
Najbolj zgrešeno bi bilo misliti, da je vnaprej določeno, kdaj bo prišlo do sprememb - da se bo nanotehnologija pojavila ne glede na to, kaj bomo naredili. Vse je odvisno od nas. Če se bomo tega lotili sistematično, bomo do cilja prišli hitreje, kot če bomo vse skupaj zanemarjali ali pa čakali, da se bo to slučajno posrečilo nekomu drugemu. Če bomo hkrati uporabljali teoretičen, komputacijski in eksperimentalen pristop, nam bo šlo hitreje, kot če bi šli po eni sami poti.
Čeprav pride do nekaterih odkritij po naključju ali pa z genialnimi prebliski, pa trajajo druga veliko dlje. Ni prav verjetno, da bo kakšen znanstvenik pozabil ugasniti Bunsenov gorilnik v svojem laboratoriju kakšno popoldne, zjutraj pa se bo vrnil in ugotovil, da je po nesreči naredil vesoljsko plovilo.
Razvoj molekularne nanotehnologije bo potreboval dolgoletno usklajeno delo velikega števila ljudi, tako kot je to bilo potrebno za pot na Mesec, za projekt Manhatten in za razvoj sodobnih računalnikov. Kako dolgo pa bo to trajalo? Vse je odvisno od tega, kdaj bomo začeli.
Napisal Ralph Merkle
Prevedel Rok Žitko
Reprinted with permission from Technology Review, published by the Association of Alumni and Alumnae of MIT, copyright 1999.
Nazadnje obnovljeno: 13.10.1999