Informatika | Tanulmányok, esszék » Grigore András Zsolt - Nanotechnológia

:.:Nanotechnológia 1 :.:Nanotecnológia:: A nanotechnológia a megfoghatatlanul parányi dolgok előállításával foglalkozik. Mielőtt elmélyednénk a tudományos vagy technikai részletekben, érdemes megemlíteni, hogy ez év január 21-én az Egyesült Államokban bejelentették: a Huszonegyedik Századi Kutatási Alapból (összesen 2,8 milliárd dollár áll rendelkezésére) 497 millió dollárt a most elindított Nemzeti Nanotechnológia Kezdeményezésre fordítanak. Az elmúlt 50 évben - lásd a számítógép méretének csökkenését - az elképesztő zsugorodás az elmúlt években kifejlesztett és ipari alkalmazássá vált mikrotechnológiának köszönhető. De hol kezdődik a nanotechnológia? A mikrotechnológiánál tízszer-százszor kisebb méretekben, a molekulák és atomok mérettartományában. Egy milliméteren ezer darab egy mikron vastagságú szál helyezhető el, azaz egy átlagos hajszálat körülbelül 50 darab, egymikronos átmérőjű részre

"hasíthatna" egy biztos kezű "szőrszálhasogató". A betegségeink jelentős hányadát előidéző baktériumok jellemző méretei az 1-10 mikronos tartományba esnek. Ezt a méretet azért érdemes megjegyezni, mert a baktériumok többé-kevésbé "szabadon" közlekednek az élőlények testében. Ez az állítás fokozottan igaz a mikronnál kisebb objektumokra, az úgynevezett nanoobjektumokra. Egy nanométer ezerszer kisebb, mint a mikron, azaz egy baktérium 100010 000 egy nanométeres szeletre szeletelhető A nanotechnológia, olyan technológiák gyűjtőfogalma, amelyeknek végtermékének jellemző méretei az 1-100 nanométeres tartományban vannak. Az elmúló század utolsó évtizedében következett be a fizikában, a kémiában, a biológiában és főleg ezek határterületein a figyelem fordulása a nanoméretű objektumok felé. A XX. század második felét sok tekintetben a gigantizmus jellemezte a társadalomban és a

tudományokban egyaránt, ám sok gigantikus alkotásról kiderült: az nem feltétlenül a legelőnyösebb megvalósítási forma. Gyakran a kicsi, egyedire szabható megoldás hatékonyabb, hajlékonyabb, és kevésbé terheli meg a környezetet. Viszont ahhoz, hogy például, egy narancsméretű műhold elláthassa sok száz kilós elődje feladatait, egészen új technológiákra lesz szükség. A forradalom kiváltó okai többrétűek. Igen fontos lépés volt a nanométeres vagy annál kisebb(!) tárgyakat az ember számára láthatóvá varázsoló eszközök megjelenése. Egyrészt a már klasszikusnak számító elektronmikroszkópiát (1933-ban fedezte fel E. Ruska) sikerült arra a szintre tökéletesíteni, ahol képes rutinszerűen feloldani a nanométeres részleteket. Másrészt svájci fizikusok 1981-ben a fénymikroszkóptól (mikronos felbontás) és az elektronmikroszkóptól (nanométeres felbontás) teljesen eltérő elven működő, új mikroszkópcsalád első

tagját fejlesztették ki: az alagútmikroszkópot. Ez képes az atomi méretű részletek (a nanométer tizedrésze) felbontására is. Segítségével először "pillantott meg" az ember atomokat, és megvizsgálhatta egy szabályos atomi elrendeződésben (kristályban) egyetlen atom hiánya által előidézett változásokat! Binning és Rohrer 1986-ban Nobel-díjat kaptak a felfedezésükért. Az alagútmikroszkóp a fény-, és elektronmikroszkóptól eltérően nem átvilágítja a vizsgált mintát valamilyen sugárral, hanem egy nagyon hegyes, ideális esetben egyetlen atomban végződő szondával igen közelről, mintegy nanométer távolságból "letapogatja" a minta felületét, valahogy úgy, ahogyan a vakok olvassák a Braille-írást. A szonda csúcsán elhelyezkedő atom a mintával való kölcsönhatása alapján "érzékeli", hogy abban a pontban, amely felett éppen áthalad, található atom vagy sem. Ezt az információt egy

számítógépnek továbbítja, amely a mért pontokból összerakja a minta úgynevezett domborzati képét. Az alagútmikroszkóp nem csak arra alkalmas, hogy segítségével nézegessük az atomokat, "rakosgatni" is lehet vele. A Berlini Szabadegyetem kutatói egyetlen szénmonoxid-molekulából álló "pontokból" írták fel egy rézkristály felületére az évszámot A :.:Nanotechnológia 2 Cornell Egyetem kutatói az alagútmikroszkóppal atomonként rakosgattak össze molekulákat. Természetesen ez nagyon rossz hatásfokú "gyártás". Még az alig néhány atomból összerakott molekula is rengeteg pénzbe kerül(ne). Jogos a kérdés, mennyivel több akkor ez, mint tudósok költséges játszadozása? A választ egy a mindennapi élethez közelebb álló példa adhatja meg: a pár forintos műanyag palack fröccsöntéséhez használt, precízen megmunkált matrica ára a palackénak sokszorosa. Az atomonként "összelegózott"

molekula méretű szerkezet szükség szerint megsokszorozhatóvá válhat, ha ellessük annak a folyamatnak a titkait, ahogyan egy vírus rá tudja kényszeríteni a sejtet, hogy megsokszorozza a vírust. Azaz, elég, ha egyetlen mintadarabot rakosgattunk össze atomonként, ez lehet a "sorozatgyártásnak" hatékonyabb és olcsóbb útja. Az alagútmikroszkóp szondája - egy hegyes tű, amely szerencsés esetben egyetlen atomban végződik - olyan híd, amely összeköti a mi kézzelfogható világunkat a meg- és felfoghatatlanul parányi méretek világával. Ugyanakkor "szerszám" is, amivel atomokat lehet "megfogni" és "lökdösni". Hátránya, hogy roppant sérülékeny, mert a csúcson "gubbasztó" utolsó atom könnyen úgy dönthet, hogy "nyugalmasabb" helyre vándorol. Egy stabilabb hegyű "nanoceruza" kellene ahhoz, hogy atomi méretekben írjunk az alagútmikroszkóppal. A problémára van megoldás,

mégpedig a nanovilág egy újabb képviselője: a szén nanocső1.4, amelyet az alagútmikroszkóp tűjének végére "szerelhetünk". A szén nanocső annyiban különbözik egy közönséges csőtől, hogy csak szénatomokból épül fel, falának vastagsága egyetlen atom "vastagsága" és a cső jellemző átmérője egy nanométer. A nanocső a természet ajándéka, csak fel kellett fedezni Ez 1991-ben meg is történt. Iijima japán kutató a fullerén - a tiszta szénből álló, egy nanométer átmérőjű, focilabda-szerű molekula (kémiai Nobel-díj 1996) - előállításának folyamatában keletkezett koromszerű anyag vizsgálata során fedezte fel a szén nanocsöveket. Azóta kiderült, hogy a nanocsöveknek különleges elektromos és mechanikai tulajdonságaik vannak, lehetséges alkalmazásaik az egészen parányitól, a nanoelektronikától, az egészen gigantikusig, az űrliftig terjednek. Ha csak nagyságrendi becslésbe bocsátkozunk, akkor

is valószínűnek látszik, hogy a nanoelektronika tíztől százezerig terjedő tartományban zsugoríthatja számítógépeinket és egyéb elektronikus eszközeinket. Nehéz eldönteni, hogy az űrlift gondolata hol fogalmazódott meg hamarabb: a tudomány tervezőasztalán vagy a tudományos-fantasztikus irodalom lapjain. Az alapgondolat egyszerű és vonzó. Ugyanúgy, ahogyan például a huszonhetedik emeletre nem rakétával, hanem felvonóval közlekedünk, mert így kényelmesebb és gazdaságosabb, a Föld körüli, úgynevezett geostacionárius pályára, ahol a távközlési műholdak is keringenek, fel lehetne jutni egy olyan felvonóval, amelynek felső, érkezési állomása geostacionárius pályán keringő űrállomás. Persze, ehhez egy hosszú, 36 ezer km hosszúságú, és igen erős "drótkötélre" lenne szükség. (A felvonó kötelének elsősorban a saját súlyát kellene elbírnia, a hasznos teherről nem is szólva.) A "klasszikus"

anyagok közül egyedül a gyémánt lenne képes erre A második jelölt már a nanotechnológia származéka, az "újszülött" nanocső, amelynek szilárdsága meghaladja a gyémántét. Az űrlift ötletének mérnöki változata Jurij Arcutanov szentpétervári mérnöktől származik, míg fantasztikus változatát a neves sci-fi szerző Arthur C. Clarke alkalmazta két regényében is, az Éden szökőkútjaiban, valamint a 3001 végső űrodisszeiában. A NASA komolyan vette az ötletet, mégpedig annyira, hogy két kísérletet is végrehajtottak Föld körül keringő űrsiklóból - egyelőre hagyományos kábelen - kibocsátott súlyokkal. A második volt sikeresebb, 1996-ban sikerült egy 21 kilométeres kábelre rögzített súlyt, a kábel teljes hosszában kibocsátani, a visszacsévéléskor azonban egy műszaki hiba miatt a kábel elszakadt. A NASA nemcsak különleges kábelt, de nanogépeket is tervez építeni szén nanocsövekre alapozva. Az Ames

kutatóközpontban szén nanocsövekből készült nanogépek alkatrészeit tervezgetik. :.:Nanotechnológia 3 Láttuk eddig, hogy a nanotechnológia forradalmasítja azt, ahogyan kezeljük az anyagot, utat nyithat a csillagok felé, de mit hoz, hozhat azoknak, akiket nem vonzanak a csillagok vagy akiknek már a mai számítógépekből is elegük van, akik nem akarnak atomokkal "biliárdozni"? Bár erre ritkán szoktunk gondolni, mi magunk is atomokból épülünk fel. Mi több, az ember "tervrajza" és "gyártási utasítása" is molekuláris szinten van kódolva a DNSben. Azt is hajlamosak vagyunk elfelejteni, hogy változatlannak érzett testünk atomjai, átlagosan szólva, havonta kicserélődnek. A cserélődés a gyártási utasításnak megfelelően zajlik. Persze, néhány évtizednyi idő után hibák is becsúsznak a másolás folyamatába, ezt egyszerűbben úgy mondjuk: öregszünk. Sajnos, a molekuláris szinten bekövetkező

"helyesírási hibákat" sem szikével, sem gyógyszerekkel, sem csodaszerekkel nem tudjuk korrigálni. Hacsak nem állnak rendelkezésünkre olyan nanogépek, amelyek képesek olvasni az eredeti tervet, és atomonként korrigálni a "helyesírási hibákat", nyilván, testen és sejten belülről. Ez a gondolatmenet talán nem is annyira fantasztikus, mint amennyire annak tűnik első látásra. Minden idők legnagyobb biológiai programja, a Humán Genom Program az emberi genetikai kód teljes "megfejtését" tűzte ki célul. A mintegy 15 éve indított program a végéhez közeledik Ez azt jelenti, rövidesen olvasni tudjuk majd a "tervet". A következő lépés a megfelelő "olvasó- és javítógép" megalkotása lesz. Nyilván, ez nem lesz egyszerű Valószínűleg előbb könnyebben megvalósítható feladatok célul tűzésére kerül majd sor, mint például a gyógyszerek irányított célba juttatása az emberi testben,

olyan nanohordozókkal, amelyek a hatóanyagot csak a megcélzott területen szabadítják fel egy testen kívülről érkező parancsra. Egy fullerén molekulában - ez egy 60 darab szénatomoból felépülő, egy nanométer átmérőjű "focilabda" - biztonságosan tárolhatók olyan nagy reakcióképességű atomok is, mint az alkáli fémek vagy a nitrogén atom. Ismerjük már a magasabb rendű fulleréneket, amelyek nem 60, hanem 84, 240 vagy még több szénatomból épülnek fel. Ennek megfelelően a belsejükben található "üreg" is nagyobb, befogadhat bonyolultabb molekulákat is. Tágabb értelemben azt is mondhatjuk: a technológia arra tanít meg, hogyan állítsunk elő bizonyos előre megfogalmazott szabályok szerint - a terv szerint - atomi elrendeződéseket. A "klasszikus" technológiák csak atomok csillagászati számokban kifejezhető sokaságát tudják kezelni egy-egy lépésben, ettől válik "megfoghatóvá" a

munkadarab a makroszkopikus világban. Ha "darabosan" is, de igen bonyolult atomi elrendeződéseket állítunk elő Például, egy működő autó vagy számítógép nagyon sokféle atom, jól meghatározott formával és tulajdonságokkal rendelkező alkatrészekbe való rendezése nyomán jön létre. Az autó acélját ércként bányászták, kohókban olvasztották, hengerművekben formázták, forgácsolták, hogy formát adjanak neki, majd hőkezelték és a helyére szerelték. A számítógép mikrochipjét homokként gyűjtötték össze, kémiai eszközökkel visszanyerték belőle a szilíciumot, majd forró kemencékben egyetlen kristállyá kényszerítették az anyagot. Szeletelték, csiszolták, "fényceruzával" mikroszkopikus méretű, bonyolult mintázatot írtak rá, majd gondosan ellenőrzött mennyiségű idegen atomot "csempésztek" bele, hogy helyileg megváltoztassák tulajdonságait. Végül darabkákra vágták, hajszálnyi

vezetékeket forrasztottak rá, tokba zárták, és belehelyezték a számára kialakított foglalatba abban a számítógépben, amelyen most ezeket a mondatokat írom. Mindez elvégezhető lehet úgy is, hogy okos nanogépek egyenesen a nyersanyagból válogatják ki a szükséges atomokat és rakják össze a mikroprocesszort vagy autóalkatrészt, sokkal kevesebb energia befektetetésével, a környezetet sokkal kevésbé megterhelő módon. Persze, ha már atomokkal tudunk "legózni", korántsem biztos, hogy ugyanazt a mikrochipet akarjuk majd összerakni, amelyet makroszkopikus technológiánkkal állítunk elő. Valószínűleg találunk majd sokkal hatékonyabb megoldásokat is. Azt mondhatjuk: a klasszikus technológiák úgy viszonyulnak a nanotechnológiához, mint a Mount Rushmore oldalába faragott amerikai elnökök feje viszonyul a rizsszemre vésett haikuhoz. Ugyanakkor a :.:Nanotechnológia 4 XIX. századból a XX-ba áthúzódott ipari forradalom

által az emberek életkörülményeiben előidézett változások valószínűleg eltörpülnek majd azokhoz a változásokhoz mérten, amelyeket a nanotechnológia és származékai idéznek majd elő a XXI. században Valóban forradalom előtt állunk, a nanotechnológia forradalma előtt. Forrás: Népszava, Szép szó melléklet 2000.0311 Készítette: Grigore András Zsolt (GAZ) :.:Nanotechnológia 5 A nanotechnológia ::1.Kép A budapesti MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet, Nanoszerkezetek Kutatása Osztály laboratóriumában, grafit felületén rögzített atomi felbontású pásztázó alagútmikroszkópos felvétel. A grafit szerkezetéből adódóan az egy hatszöget alkotó hat szénatom közül három A típusú, és három B típusú. A képen a világos "golyók" egy-egy Btípusú szénatomnak felelnek meg, az A típusú atomok nem láthatók a képen Az egyik kép a balról jobbra, a másik a jobbról balra történő

pásztázáskor került rögzítésre. A kép bal oldalán latható "fényesség skála" a minta síkjára merőleges irányban 0.8 nm kiterjedésnek felel meg A felvételen látható terület méretei 4 x 4 négyzetnanométer. ::2.Kép A Berlini Szabadegyetem kutatói által egyetlen szén monoxid molekulából álló “pontokból” réz kristály felületére felírt évszám. :.:Nanotechnológia ::3. Kép A NASA Ames kutató központjában számítógépes szimuláció segítségével tervezett szén nanocső alapú nano-áttétel. A sötét gömbök egy-egy szén atomnak felelnek meg, míg a világos gömbök hidrogén atomokat jelölnek. ::4. Kép Egy szén nanocső atomi szerkezetét bemutató rajz. A cső átmérője 1 nanométer 6