Nanotech: Art of the Possible

I George M. Whitesides' arbejde måles tingene i nanometer. En nanometer er en milliarddel af en meter, og for at få en fornemmelse af, hvor lille det er, glem alt om analogier til bredden af ​​et menneskehår eller hovedet af en nål. Nanoskalaen har intet at gøre med velkendte genstande. Du skal tænke på et sted, hvor objekter - inklusive de enheder, der arbejdes på af Whitesides og andre - kun er lidt større end atomer.

At bygge ting i den skala kaldes nanoteknologi. Det er et felt i hastig udvikling med et enormt potentiale; bittesmå enheder kan revolutionere databehandling, informationslagring, kommunikation og et vilkårligt antal uforudsete områder. Men det er også et område, der er udsat for overdrevne løfter, med spekulationer om nanomaskiner, der er mere tilbøjelige til at blive fundet i Star Trek end i et laboratorium.

Denne historie var en del af vores november 1998-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Whitesides er en fremtrædende kemiker og materialeforsker, og har udforsket denne meget lille verden i årevis. Efter næsten 20 år på MIT sluttede Whitesides sig til Harvard Universitys kemiafdeling i 1982. Harvard-forskeren har leveret mikro- og nanofabrikation med nogle af dens mest nyttige konstruktionsteknikker. Men Whitesides holder også et veltrænet reality-tjek på nano-verdenen. På trods af hans åbenlyse entusiasme for feltet, er han opsat på at definere, hvad der er, og hvad der ikke er muligt.

BØRN Seniorredaktør David Rotman besøgte for nylig Whitesides, Mallinckrodt-professor i kemi ved Harvard, på hans kontor i Cambridge for at sortere fakta fra science fiction inden for nanoteknologi.

TR: Lad os starte med et grundlæggende spørgsmål. Hvor lille kvalificerer sig til nanoteknologi?
HVIDSIDER: Standarddefinitionen er funktionelle strukturer, der har funktionsstørrelser på mindre end 100 nanometer, men jeg tror, ​​at tallet sandsynligvis burde være 50 nanometer eller mindre.

TR: Hvorfor er nanoteknologi så spændende?
HVIDSIDER: Det er en udvidelse af mikroteknologi. Og mikroteknologi er grundlaget for at lave computerkomponenter, og det er en meget stor sag. Mikroteknologi har i årevis været sammen med ideen om, at det at gøre ting mindre giver fordele - de er billigere, du får mere bærbarhed og mere ydeevne pr. dollar. Tanken er, at da smaller har arbejdet med mikroelektronik, kan du fortsætte den trend ud over de nuværende størrelser inden for mikroelektronik, og denne krympning får dig ind i den verden, der hedder nano.

TR: Hvilke specifikke teknologier kunne komme ud af et sådant arbejde?
HVIDSIDER: Et godt eksempel er informationslagring. Lige nu er størrelsen af ​​en plet på en cd-disk i størrelsesordenen 10 kvadratmikrometer. Folk, især IBM-folkene, har lavet CD-ækvivalenter, der bruger pits på en roterende skive, men pits er nu 50 nanometer store. Du kunne få, i noget på størrelse med et armbåndsur, hvad der svarer til måske 1.000 cd'er. Det begynder at nærme sig en brøkdel af det referencebibliotek, som du har brug for til dit liv. Det rejser interessante spørgsmål: Hvad sker der, når du er i stand til at lægge al den information, du har brug for til en større del af dit liv, på dit armbåndsur, i stedet for rent faktisk at skulle lære det? Det er en af ​​de ideer, der flytter en lille smule forestillingen om, hvordan et liv skal føres. Du kan tage disse ideer og ekstrapolere dem. Du sætter et mikro- eller globalt positioneringssystem på dit armbåndsur, så du ved, hvor du er. Du kunne have evnen til at lokalisere dig selv, lave beregninger, bruge information, kommunikere.

TR: Hvor er vi i forhold til faktisk at realisere nogle af disse ting?
HVIDSIDER: På stadiet af laboratorieprototyper. Folk har lavet små cd'er, men det er ikke noget, man kan bruge uden for laboratoriet. Det bliver meget svært at udvide de fremstillingsmetoder, som folk nu bruger til at lave disse små strukturer, til noget, der virkelig kan fremstilles, men det vil ske.

TR: Hvor stor en udfordring er dette?
HVIDSIDER: Vi har en principdemonstration fra mikroelektronikken, at hvis man kan gøre tingene mindre, vil folk finde masser af spændende ting at lave med dem. Lige i øjeblikket kan vi lave små ting i laboratorier, men vi ved ikke, hvordan vi laver rigtig små ting i massevis i et produktionsmiljø. Og vi ved ikke, hvordan vi skal bruge dem, når vi først har lavet dem. Indtil det produktionsproblem er løst, ved vi ikke, hvilke ting der kan laves, og vi ved ikke, hvordan teknologien kommer til at være.

TR: Fotolitografi, der bruger ultraviolet lys til at udætse mønstre på siliciumchips, er den dominerende teknologi til fremstilling af mikroelektronik på mikrometerskalaen. Men jeg tager det, du kan ikke se, at det har meget af en fremtid med hensyn til nanoteknologi?
HVIDSIDER: Fotolitografi har været meget vellykket. Vi har haft en vidunderlig løbetur med denne teknologi, og der er al mulig grund til at tro, at dette vil fortsætte et stykke tid. Men nu begynder du at træde lidt tilbage og sige, ja, det er svært at gå under 100 nanometer, og du kan ikke bygge 3D-ting. Det virker virkelig ikke til for mange andre materialer end silicium og sådan noget. Vi vil gerne gøre tingene små, så de kan være hurtige og billige og bærbare og ikke strømkrævende. Hvordan gør vi det?

TR: Hvad er nogle af alternativerne?
HVIDSIDER: Den ene er elektronstråler, hvoraf en udførelsesform er skalpel. [Scalpel er et system udviklet af Lucent Technologies' Bell Labs, der bruger elektronstråler til at mønstre siliciumwafers]. En anden udfordrer er røntgenlitografi [denne proces bruger røntgenstråler til at mønstre wafere]. Begge har en masse meget vanskelige tekniske problemer, som vi formoder vil blive løst mere eller mindre, men om de virkelig er billige nok er et andet spørgsmål. Og så er der nyere teknologier på vej, som jeg synes er lovlige lange billeder, såsom litografi ved hjælp af neutrale atomer eller ionstråler. Det er i øjeblikket et rigtigt hestevæddeløb om, hvilke teknologier der skal bruges inden for nanoteknologi. Men dette er kun begyndelsen.

TR: Er begrænsningerne i fotolitografi fundamentale nok til at drive et helt nyt teknologiområde til fremstilling af mikroelektronik?
HVIDSIDER: Det kunne de være. Fotolitografi bliver meget kompliceret og meget dyrt. For den nye generation af fabrikater [fremstillingsfaciliteter til fremstilling af halvlederchips], som er ved at blive planlagt i årene efter 2000, er kapitalomkostningerne pr. fabrik anslået til at være 3-10 mia. Hvis du vil have 20 procent afkast af din investering, og du sætter 10 milliarder dollars ind, hvor mange mikrowidgets skal du så sælge hvert år i de få år, hvor den fab er topmoderne? Svaret er, meget. Og det kan folk, der skal stille pengene, ikke lide.

TR: Så det er stadig et spørgsmål, hvor meget små ting bliver lavet. Hvad er nogle af de andre ubekendte om fremtiden for nanoteknologi?
HVIDSIDER: Der er det problem, at enhederne, når du kommer ned til ægte nanoskalastørrelse, ikke længere fungerer som forventet baseret på ekstrapoleringer af eksisterende enheder. Man får noget forskellige meninger om, hvor langt eksisterende teknologi kan ekstrapoleres. Mit gæt er, at man kan tage eksisterende systemer og ekstrapolere dem til et sted i området 50 til 100 nanometer. Når du begynder at komme ledninger, transistorer og andre komponenter tættere på hinanden, begynder de at tale sammen, og denne krydstale bliver et meget alvorligt problem. Egenskaberne af de anvendte grundmaterialer-doteret silicium bliver også svære at kontrollere.

TR: Ud over at krympe mikroelektronikken mindre og mindre, har der været meget snak om at bruge nanoteknologi til andre, mekaniske, typer applikationer.

HVIDSIDER: Der er mange ting, der spænder fra at være potentielt virkelige til ting, der er science fiction. Der er ideen om meget små autonome maskiner, der svømmer rundt i blodbanen eller sådan noget. Jeg kan ikke se nogen måde at realisere dem på. Årsagen er, at bortset fra problemerne med at bygge dem, er der forfærdelige problemer med magt i alt, der er et autonomt system. Der skal være en virkelig dyb opfindelse, før nogen finder ud af, hvordan man driver små autonome systemer. Vi har eksempler på drevne systemer: for eksempel levende celler eller organeller i cellen. Men cellen er faktisk ikke en lille genstand. Pattedyrceller er omkring 25 mikrometer på tværs, og selv bakterieceller er 1 til 3 mikrometer. Vira, som er meget mindre, er ikke drevet. Så magt er et grundlæggende spørgsmål. Friktion i små bevægelige systemer er et sekund. Fremstilling er en tredjedel.

TR: Tror du, at nogle af disse applikationer er blevet overhypet?
HVIDSIDER: Hvad Eric Drexler [K. Eric Drexler er forsker ved Institute for Molecular Manufacturing i Palo Alto, Californien; hans bog Engines of Creation hjalp med at popularisere nanoteknologi], og andre gør, er at konstruere en række ideer baseret på at gøre eksisterende ting mindre. De siger, at hvis du har en stor Rotorooter, hvorfor så ikke have en lille rotorooter?

TR: Men det er klart tilfældet, hvor bare fordi de er mindre...
HVIDSIDER: De er ikke nødvendigvis bedre. Mindre er ikke nødvendigvis altid bedre.

TR: Og de fungerer ikke altid som bare en mindre kopi.
HVIDSIDER: Ret. Ikke alene er de ikke nødvendigvis bedre, især hvis de er dyrere, men de fungerer muligvis ikke ved at bruge de samme principper. Hvilket betyder, at for virkelig små strukturer, ville vi sandsynligvis være nødt til at opfinde nye arkitekturer og nye måder at tænke problemet på, så vi kan håndtere de særlige kendetegn ved disse små maskiner. Og selvfølgelig er et af de interessante spørgsmål, hvor vil det være besværet værd at lave maskiner, der virkelig er meget små?

TR: Hvis vi havde denne samtale fem eller 10 år fra nu, nogen gæt, hvad vi ville tale om?
HVIDSIDER: Jeg tror, ​​vi kan have en lidt anderledes samtale. En, der handler mindre om, hvordan nanoteknologi har ændret verden, og mere om, hvordan billig mikroteknologi har ændret den. Lige nu reserverer vi verden af ​​mikrofabrikationsfremstillingsstrukturer mellem flere hundrede nanometer og et par mikron [en mikron er en mikrometer, en milliontedel af en meter] - til elektroniske mikroprocessorer og computersystemer. Det er et meget legitimt spørgsmål at spørge, hvad der sker, når man udvider mange ting, der nu er lavet i centimeter- og millimeterskalaen, til mikrometerskalaen, og hvilke nye funktioner får man?

TR: Hvad tænker du på?
HVIDSIDER: En sætning, som jeg bruger, er mikron-skala teknologi med økonomien i avispapir. For eksempel, i stedet for at købe en avis, kan du købe et ark papir; bagsiden af ​​det ville være et batteri, forsiden af ​​det ville være et display. Du læser den, scroller for at finde opslagsværker om den, ser animerede illustrationer, og når du er færdig, smider du den væk. En af de ting, som vi måske taler om om 10 år, er, hvordan mikron-skala elektronik ved hjælp af nye teknologier har sneget sig ind i alle mulige ting. Min overbevisning er, at næsten alt - sko, vinduer, legetøj til børn, købmandsmærker, forsendelsesetiketter, kreditkort - vil have elektronik om et par år.

TR: Du nævner ofte biologi og naturlige systemer. Hvad fortæller biologi dig om nanoteknologi?
HVIDSIDER: Biologi laver alle slags meget funktionelle små strukturer. Drexler taler om små motorer; vi har et fantastisk eksempel på en lille motor i biologi, som er flagelmotoren i bakterier. Denne motor fungerer virkelig meget godt, og den ligner faktisk meget en motor. Kan vi enten lære at bruge disse biologiske ting på en passende måde i vores enheder, eller forstå principperne for biologi bedre og derefter lære at indlejre disse principper i ikke-biologiske systemer? Et andet eksempel er sensorer. Meget af det, der gøres i ethvert biologisk system, er sansning. Nethinden, næsen, alle disse er afhængige af molekyler, der er sensorer på nanoskala. Hvordan kan vi bruge disse ideer til at bygge kunstige øjne og næser?

TR: Fortæller biologien dig noget om de kommende udfordringer?
HVIDSIDER: Vi består af et hierarkisk sæt af strukturer og komponenter. Vi har molekyler på nanoskalaniveau opsamlet i organeller, som er 10 nanometer til måske 100 nanometer, opsamlet og arbejder kollektivt i celler, som derefter aggregeres til væv, der bliver os. Et af problemerne i elektronik er, at vi kun arbejder i to skalaer. Transistorer og samlinger af transistorer - og det er enheden. Men for at drage fuld fordel af nano, bliver vi nødt til at tænke på det fulde hierarki af strukturniveauer.

TR: Hvad er nogle af de større lektioner, som din forskning i nanoteknologi har lært dig?
HVIDSIDER: Den ene er forestillingen om, at funktion ofte er hierarkisk og prioriteret. Molekyler gør visse slags ting, objekter, der er 10 nanometer, gør visse forskellige slags ting, objekter, der er 100 nanometer, gør endnu andre forskellige slags ting. For kompleks funktionalitet skal man lære at bygge fra små stykker til store objekter ved at drage fordel af hver enkelts unikke muligheder. Det andet er, at der er fænomener, der er størrelsesspecifikke. En af de ting, man gør på enhver skala, er at se efter sammenlignelighed mellem det fænomen, du ser på, og objektet. Når du ser, at fænomenet og strukturerne har lignende størrelser, er der interessante ting, du kan gøre. Den tredje ting er, at der for nanometerskalaen ikke findes et rigere lager af interessante ideer og strategier end biologi.

skjule