Nanotech by the Numbers

I sit trange aflukke hos Nanomix, et nanoteknologifirma i Emeryville, Californien, lige på den anden side af bugten fra San Francisco, kigger teoretisk fysiker Seung-Hoon Jhi på en computermodel af en brintbrændstoftank og følger omhyggeligt bevægelsen af ​​individuelle molekyler. Mens han hæver temperaturen på en simuleret plade af bor- og nitrogenatomer fra en kold 50 Kelvin til en lidt mindre kølig 80 Kelvin, ser han reaktionen af ​​en håndfuld brintmolekyler, der prikker dens overflade. Bornitridpladen bølger, alligevel holder brintmolekylerne fast. Det er et opmuntrende tegn i et virtuelt eksperiment, der måske lige har sparet uger eller måneder med omhyggelige eksperimentelle tests i Nanomix' bestræbelser på at udvikle mere effektive brintlagermaterialer til brændselscellebiler.

Det er selvfølgelig cyberdreaming. Men Jhi og hans Nanomix-kolleger er så sikre på rigtigheden af ​​denne computeriserede modellering, stykket sammen fra præcise beregninger af individuelle atomers adfærd, at de bruger simuleringerne til at designe og teste materialer, der aldrig er blevet fremstillet før - materialer, hvis rækkefølge på nanometerskalaen (en nanometer er en milliardtedel af en meter) kan producere egenskaber, der er nyttige i applikationer lige fra ultrafølsomme sensorer til fladskærme til snigende belægninger til krigsfly. Nede ad gangen, mindre end 15 meter fra Jhis aflukke, har virksomhedens eksperimenter travlt med at arbejde i laboratoriet for at syntetisere de mest lovende resultater af modelleringen.

Denne historie var en del af vores september-udgave fra 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mens Nanomix blot er en af ​​flere nyere startups, der håber på at udnytte nanomaterialer, satser virksomheden på, at det har en fordel: evnen til både at designe materialerne virtuelt - uden så meget som at røre i et bægerglas - og derefter gå ind i laboratoriet og lave dem . Dets medstiftere - teoretisk fysiker Marvin Cohen og eksperimentel fysiker Alex Zettl, begge fra University of California, Berkeley - har samarbejdet om en sådan alkymi i over et årti. Nu håber de at kunne udnytte den ekspertise som grundlag for en nanoteknologivirksomhed. Vores mål er at have de første fungerende nanokomponenter på markedet, siger Nanomix CEO Charles Janac.

Design af materialer på computere har fristet industriforskere i mere end et årti. I teorien er ideen i det mindste simpel nok: Ved hjælp af kvantemekanikkens regler er det muligt at beregne opførselen af ​​elektronerne, der hvirvler rundt om et atom. Givet nok regnekraft, burde man være i stand til at bruge sådanne beregninger til at designe et materiale atom for atom, indbygge ønskelige egenskaber ved at justere den elektroniske profil. Problemet er, at materialernes egenskaber skyldes interaktioner mellem et stort antal atomer. Og selv nutidens mest kraftfulde supercomputere kæmper med kvanteberegninger, der involverer mere end fem eller seks hundrede atomer, hvilket i høj grad begrænser evnen til at designe nye materialer.

Men nanomaterialer, som ofte er isolerede molekyler - eller molekyler, hvis egenskaber stammer fra begrænsede interaktioner - gør et langt lettere mål for computere. På mange måder viser kvantemodellering sig faktisk at være en ideel måde at udforske nano-verdenen på. Den forudsigelige kraft af nanomodellering, siger James Tour, en kemiker og førende nanoteknologiforsker ved Rice University i Houston, viser sig at være enorm.

Nanomix mener, at det netop er denne forudsigelseskraft, der vil gøre det muligt for det at revolutionere opdagelsen af ​​nanomaterialer. Takket være et forspring fra sine computersimuleringer, er virksomheden, som startede op i 2000, allerede ved at konstruere små gassensorer, der bruger kulstof-nanorør-molekyler på blot et par nanometer brede, med vægge et atom tykke til at detektere farlige gasser. Ved udgangen af ​​næste år planlægger Nanomix at begynde at sælge disse nanorør-baserede sensorer til at detektere benzindampe, der beskytter raffinaderier, kemiske fabrikker og rørledningsstationer mod lækager. Hver sensor bør koste 10 gange mindre end en konventionel lækagedetektor og fungere i et år på et urbatteri. Forbundet til trådløse sendere, der ikke er større end frimærker, kan de blive spredt i titusindvis, dække et industrianlæg - eller klemt ind i lækagetilbøjelige ventiler for at fritte ud svigtende forseglinger, noget der ikke er muligt med langt større og dyrere konventionelle sensorer.

Samtidig udarbejder Nanomix designs til nye nanomaterialer til brintbrændstoflagringsmaterialer med en endnu større evne til at lagre brint end bornitridpladerne på Jhis skærm. Hvis disse materialer bliver til virkelighed, kan de dramatisk øge ydeevnen af ​​brændselscellebiler, og endelig gøre biler, der kører på brintbrændstof, kommercielt praktiske. Virksomheden er også begyndt at overveje, hvordan nye nanomaterialer som nanorør kan bruges i små computerenheder.

Nanomaterialer til brændselsceller og nanocomputere vil sandsynligvis tage år at udvikle. Men Nanomix mener, at dens plan om at begynde at sælge sensorer og andre tidlige anvendelser af nanoteknologi vil gøre det til en levedygtig forretning længe før da. Folk bliver ved med at sige, at nanoteknologi er langt ude, og det er i den forstand, at det er en langsigtet trend, der vil have en enorm indflydelse på verdensøkonomien. Men nogle af de tidlige ansøgninger er kun 18 måneder væk, forudser Janac.

Fornemmer succes

At opfinde et nyt materiale, f.eks. en ny polymer eller metallegering, har aldrig været let - og er ofte mere et tilfælde af serendipity end teoretisk design. Selv på førende industrielle faciliteter såsom DuPonts centrale forskningslaboratorium, der har opfundet mange af nutidens vigtigste polymerer og højteknologiske materialer, er processen ofte et hit-eller-miss-bestræbelse, der styres mere af eksperimenters instinkter end de beregnede forudsigelser af teoretikere. På nanoskalaen begynder forskernes instinkter dog ofte at svigte, da kvanteverdenens mærkelige regler tager over. Vi kommer ind på områder, hvor vores intuition, som ofte er baseret på vores tidligere erfaringer, virkelig er ret mangelfuld, siger Ed Wasserman, videnskabsrådgiver for DuPonts centrale forskning og udvikling.

Det er imidlertid et sted, hvor teoretiske kvantefysikere føler sig hjemme - et rige, hvor de kan lege gud og skabe nye materialer ved blot at blande sig rundt om atomer. En af disse guder er Nanomix medstifter Cohen, en pioner inden for kvantemodellering. I 1960'erne havde Cohen den indsigt, at da det kun er et atoms yderste elektroner, der interagerer for at give et materiale dets egenskaber, er det muligt i høj grad at forenkle de beregninger, der er nødvendige for simuleringer, ved kun at beskæftige sig med disse elektroner. Denne matematiske genvej revolutionerede kvantemekanisk modellering. Hvis du laver en helelektronberegning, er det næsten som at prøve at finde vægten af ​​kaptajnen på et skib ved at veje skibet og derefter veje kaptajnen med skibet, forklarer Berkeley-fysiker Steven Louie, rådgiver for Nanomix. Ved i det væsentlige at veje kaptajnen direkte, gør Cohens software det nu praktisk at bruge en pc til hurtigt at lave forudsigelser om nanomaterialer med nye kombinationer af elektroniske, magnetiske og lyshåndteringsegenskaber.

Men Cohen indså også, at sådanne simuleringer kun er så virkelige som eksperimentalisternes færdigheder nede i gangen. Så i begyndelsen af ​​1990'erne begyndte han at samarbejde med Berkeley-kolleger, som Alex Zettl, der havde erfaring med at syntetisere nye materialer. Opdagelsen - og den faktiske syntese - af bornitrid nanorør i 1994 var en tidlig succes. Cohen, der overvejede atomstrukturen af ​​bornitridplader, indså, at det burde være muligt at rulle pladerne sammen for at danne cylindriske molekyler. Andre forskere havde for nylig lavet lignende molekylære rør af kulstof, men ingen havde udvidet teknikken til bor og nitrogen. Cohen og hans elever startede deres modeller og beregnede, at bornitrid nanorør ikke kun ville være stabile, men ville udvise interessante elektriske egenskaber. Inden for et år havde eksperimentel Zettl fundet en måde at lave de nye nanorør på og bekræftet de forudsagte egenskaber.

Sikkert et pænt videnskabeligt trick, men hvordan gør man den type fysik-trolldom til en forretning?

Den umiddelbare udfordring for forskere hos Nanomix er at perfektionere de sensorer, som Janac har lovet at begynde at sælge næste år. Indtil videre har Nanomix's teoretikere identificeret de specifikke typer af nanorør, der ville reagere mest følsomt på de kulbrinter, der kan trænge igennem raffinaderier, kemiske anlæg og rørledninger. De har også forudsagt, hvordan hver gas ville ændre konduktansen gennem rørene, hvilket giver et spændingsfodaftryk, der ville identificere den. Nu skal eksperimentalisterne finde ud af, hvordan man masseproducerer de nanorør-baserede enheder. Og de skal levere et produkt, der er pålideligt nok til at sikre anlægsoperatørernes liv.

Den type udvikling af et nyt materiale kan nemt tage et årti. Men hvis Nanomix - ved at bruge sin modellering og teoretiske ekspertise til at genveje processen - kan klare tricket i løbet af det næste år eller deromkring, vil det validere sin strategi for nanoopfindelse. Det vil også åbne døren til en hel verden af ​​sensorer. Til at begynde med burde Nanomix være i stand til at skræddersy nanorørsensorer til at opsnuse næsten enhver gas, fra kulilte til de forbindelser, der bruges i kemiske våben. Og virksomheden sponsorerer akademisk forskning, der har til formål at tune nanorør til at fornemme sygdoms biokemiske lugt, måle insulinniveauer hos diabetikere eller opdage antigener, der indikerer infektion. Nanorør er den ultimative sanseplatform, hævder Janac. Du har ikke brug for mere end enkeltmolekylefølsomhed, dit strømforbrug bliver nanowatt, og størrelsesmæssigt kan du ikke blive mindre - i hvert fald inden for en overskuelig fremtid - end et nanorør. Vi tror, ​​vi kommer til at revolutionere sensorbranchen med denne arkitektur.

Nano Dollars

Men tekniske udfordringer er ikke det eneste pres, som Nanomix står over for. Ikke alene er virksomheden i gang med at få et nanoprodukt på markedet, den skal slå konkurrencen til den relativt lille pulje af venturekapitalfinansiering, der er tilgængelig for nanoteknologiske startups. Blandt mange eksperter kan begejstringen over udsigterne for nanoteknologi være voksende, men investorernes vilje til at synke penge i meget spekulative teknologier vokser ikke nær så hurtigt. Hvilket betyder, at Nanomix - ligesom en række andre unge nanotekvirksomheder - skal kæmpe ikke kun for at besvare skræmmende videnskabelige spørgsmål, men blot for at overleve.

San Francisco-baserede Alta Partners gav Nanomix startfinansiering i 2000, og siden sidste år havde Nanomix rejst 4,5 millioner dollars. Men siden da har yderligere midler været svære at finde, da venturekapitalister er blevet forsigtige efter sidste års økonomiske krak. Det har været en lang kamp at få andre til at investere, siger Alta-partner Peter Schwartz.

Ironisk nok er det netop styrkerne ved Nanomix - en stærk akademisk afstamning og teoretisk ekspertise - der kan hæmme virksomheden over for potentielle investorer, der er på vagt over for et felt, hvor resultater ofte lyder mere som grundforskning end levedygtige produkter. Og Nanomix' væld af teoretikere gør det særligt nemt at forveksle virksomheden med et grundlæggende forskningslaboratorium.

Presset har fået Nanomix til at lægge en kortsigtet vægt på produktudvikling på bekostning af virksomhedens indsats inden for teoretisk fysik. Men selvom Cohen måske accepterer den umiddelbare nødvendighed af at få et produkt ud af døren for at vinde økonomisk opbakning, forbliver han forpligtet til sin drøm: en virksomhed, der opfinder og kommercialiserer nanomaterialer ved at koble kvantemodellering og teori med behændig eksperimentering. Det er en drøm fyldt med eksotiske materialer, kun begrænset af fysikkens regler og dens praktiserendes klogskab.

Som mange nanotekforskere er Cohen og hans videnskabelige kolleger hos Nanomix overbeviste om, at nanomaterialer ikke kun vil have anvendelser inden for sansning og brintlagring, men i elektroniske enheder, der er tusind gange mindre end nutidens siliciumtransistorer, hvilket gør ultrahurtige, ultrasmå computere mulige. Lilliputiske kredsløb med milliarder af nanokomponenter kan stadig være år ude i fremtiden, men Nanomix-forskere tænker allerede på de nanomaterialer, der kunne få dem til at ske.

skjule