Vil Real Nanotech venligst stå op?

Den store balsal i Boston Marriott havde været fyldt med en skare, der kun var i standsroom, på flere tusinde materialeforskere, der var ivrige efter at høre Richard Smalleys aftenforedrag om nye enheder og materialer fra kulstof. Bagefter, i et næsten tomt mødelokale på hotellet, ser Rice University-kemikeren træt og udmattet ud, mens han stiller spørgsmål. Så pludselig er han revitaliseret; han læner sig frem og fokuserer intenst. Samtalen er vendt til et af hans yndlingsemner: hvordan nanoteknologi vil hjælpe med at redde verden.

Der er omkring 6 milliarder mennesker på Jorden, påpeger Smalley denne novembernat, og forskning rettet mod at producere bedre, billigere og mere effektive materialer vil være en nøgle til at ernære og huse denne befolkning, når den stiger mod en eventuel stabil tilstand på 10 milliarder eller mere. Men grænserne for, hvor stærkt, ledende og indviklet et materiale kan være, er sat på nanometerskalaen, siger han. Drømmen, siger Smalley, er at bygge med det niveau af finesse, for at gøre det perfekt ned til det sidste atom. Denne evne, hævder han, ville bringe mindre, mere effektive batterier, stærkere materialer og markant forbedret og billigere elektronik.

Denne historie var en del af vores marts 1999-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Disse er ingen ravinger fra den seneste trendy fremtidsforsker. Smalley er en af ​​landets mest respekterede kemikere, en nobelprismodtager i kemi i 1996 og direktør for et nyt $33 millioner Nanoscale Science and Technology Center i Rice. Han er heller ikke alene. Et stigende antal forskere deler Smalleys overbevisning om, at styring af materialers struktur ned til nogle få atomer eller molekyler vil have en enorm indflydelse på alt fra computere til medicin. Evnen til at manipulere stof med et atom ad gangen har været science fiction-stoffet i årevis. Men den seneste udvikling af højteknologiske værktøjer, især sonder, der er følsomme nok til både at afbilde og bevæge individuelle atomer og molekyler, er begyndt at omdanne disse fantasier til videnskabelig virkelighed.

I løbet af det seneste år har to grupper af forskere uafhængigt af hinanden fremstillet en transistor ud af et enkelt kulstofmolekyle. Forskere har bygget prototyper af informationslagringsenheder med databits så små som 50 nanometer på tværs. Andre forskere har for nylig lavet et molekyle, der roterer, fungerer som et nanohjul, samt en rudimentær kulerram med enkelte molekyler, der fungerer som de glidende perler.

Det er ganske vist laboratorienyheder. Og i sandhed er der ingen, der rigtig ved, hvad der vil resultere af den nye videnskab. For det første, mens videnskabsmænd møjsommeligt kan lave nanoenheder en ad gangen i laboratoriet, skal de stadig finde en hurtig og kommercielt gennemførlig måde at lave millioner af dem på. De mangler også pålidelige metoder til at integrere komponenter i nanoskala. Men disse første trin giver overbevisende beviser på, at det er muligt at bygge fungerende nanoenheder - og de er begyndt at skabe et betydeligt håb (sammen med en rimelig mængde hype) om, at Smalleys drøm om at bygge nye materialer med molekylær præcision vil gå i opfyldelse.

Turf Wars

Det, der har bragt denne drøm inden for rækkevidde, er forskeres nyfundne evne til at afbilde og manipulere individuelle atomer. I begyndelsen af ​​1980'erne opfandt fysikere ved IBM Research i Zürich scanning tunneling microscope (STM), som gjorde det muligt for første gang at fange direkte billeder af stof på atomskala. Dette var opdagelsen, der åbnede nanoverdenen. Ved at stole på STM og et nært beslægtet instrument kaldet et atomkraftmikroskop (AFM), kan forskere nu direkte skubbe atomer og molekyler rundt og skubbe dem på plads.

Der er to former for atomar manipulation. Den ene involverer fysisk manipulation for at glide atomer rundt på en metaloverflade for at danne 2-D strukturer. Den anden tilgang forsøger at fremstille stabile strukturer med atomopløsning ved at bryde og danne kemiske bindinger ved at bruge de stærke elektriske felter, der genereres af selve STM-apparatet.

Disse er stadig eksotiske laboratorieundersøgelser. Men for dem i virksomheds- og universitetsforskningslaboratorier betyder udviklingen af ​​disse kraftfulde nye værktøjer, at du kan blive vild med billeddannelse og manipulation af helt nye fysiske strukturer, ifølge Donald Eigler, fysiker ved IBM Almaden Research Center i San Jose, Calif. Eiglers gruppe studerer for eksempel magnetismen af ​​flere atomer placeret på en overflade. Mens arbejdet med STM i sidste ende kan føre til fremskridt inden for computere og magnetisk datalagring, er Eigler ikke kun drevet af praktiske applikationer. Det, der gør mig mest begejstret, siger han, er, når jeg ser et aspekt af naturen, som ikke er set før. Dette er nyt græstæppe.

Grænserne for denne nye græstørv trækkes stadig i en til tider omstridt debat. De fleste fysiske forskere rapporterer, at nanospace er et mystisk sted, der fungerer efter sine egne regler. Og selv forskere som Smalley, der mener, at arbejdet i sidste ende vil betale sig i betydelige fordele for samfundet, påpeger, at de lige er begyndt at forstå de helt smås fysik og lære at kontrollere adfærd i dette rige.

Nogle få fastholder dog, at de har det hele, men har fundet ud af det. I næsten to årtier har K. Eric Drexler, formand for Palo Alto, Californien-baserede Foresight Institute, en nonprofit-gruppe, der har til formål at fremme nanoteknologi, beskrevet i præcise detaljer, hvordan nanofremstilling vil fungere - og ændre verden. Drexler forestiller sig selvreplikerende nanorobotter, der mekanisk skubber atomer og molekyler sammen for at bygge en bred vifte af væsentlige materialer. Et enormt antal af disse nanorobotter, der arbejder sammen, ville forsyne verdens materialebehov næsten uden omkostninger, og i det væsentlige udslette sult og stoppe forurening fra konventionelle fabrikker.

Det er en utopisk vision, som få forskere, der laver eksperimenter på nanoskala, har købt ind. Men ikke overraskende har det en stor appel for mange andre. Denne forestilling om nanoteknologi har fået sit eget liv. Og for et bredt publikum af teknologientusiaster, såvel som for nogle i medierne, er det blevet den bedst kendte version af nanoteknologidrømmen.

Det er ifølge nogle videnskabsmænd netop problemet. Drexlers ideer kan have været med til at skabe tidlig begejstring for nanoteknologi, men efter år med at have hørt grandiose spekulationer om en modig ny nanoverden, siger forskere, at det er på tide at lade videnskaben overhale fantasierne. Der har ikke været nogen eksperimentel verifikation for nogen af ​​Drexlers ideer, siger Mark Reed, en nanoelektronikforsker og leder af Yale Universitys elektroingeniørafdeling. Vi begynder nu at lave de rigtige målinger og demonstrationer i den skala for at få et realistisk billede af, hvad der kan fremstilles, og hvordan tingene fungerer. Det er på tide, at den rigtige nanoteknologi rejser sig.

Nogle hævder, at fremkomsten af ​​praktisk nanoteknologi allerede er her. Det er en beskeden start. Forskere bygger endnu ikke praktiske elektroniske enheder ud af enkelte atomer eller molekyler - og der er bestemt ingen nanorobotter i nærheden. Men Richard Siegel, en materialeforsker ved Rensselaer Polytechnic Institute, som stod i spidsen for en National Science Foundation-sponsoreret rapport sidste år om nanoteknologi, siger, at kontrolleret syntese af materialer på nanometerskala allerede er begyndt. Rapporten konkluderede også, at et verdensomspændende kapløb om at udnytte nanomaterialer og bygge nanoenheder er godt i gang, ledet af adskillige universitetsforskningsgrupper og store industrielle laboratorier såsom IBM Research, Motorola og Japans NEC Fundamental Research.

For nu er disse materialer for det meste lavet ved traditionelle metoder til kemisk syntese, men Siegel siger, at tilgængeligheden af ​​værktøjer til atomar billeddannelse er begyndt at gøre det muligt for forskere at lave selektive nanostrukturer. Siegel peger for eksempel på udviklingen af ​​nanokrystallinske materialer, der anvendes i de gigantiske magnetoresistens (GMR)-enheder, der i de sidste par år dramatisk har accelereret tempoet i forbedringen af ​​informationslagring. GMR-teknologi er afhængig af flere lag af tynde film, nogle kun få atomer tykke; den præcise lagdeling af disse tynde film på molekylært niveau er ansvarlig for enhedens høje følsomhed. Siegel hævder, at den enorme indflydelse af nanoteknologi vil komme i nanoelektronik. De nanokrystaller, der bruges i GMR, foreslår han, er kun toppen af ​​det isbjerg.

For dem, der laver enheder i mikrometerstørrelse (nu almindeligt inden for avanceret elektronik og optik), nærmer kollisionen med nanoskalaen sig hastigt. Det voksende felt af MEM'er (mikro-elektromekaniske maskiner), som udvikler bittesmå maskiner til at fungere som alt fra mikrofoner til miniatureraketter, støder også op mod nanoverdenen og gør rutinemæssigt fungerende dele så små som et par hundrede nanometer.

For purister skal du dog tænke mindre - meget mindre - før du går ind i den rigtige nanoverden. For disse kemikere og fysikere er det under omkring 50 nanometer, hvor det sjove begynder. På denne nye arena mister kræfter som tyngdekraften, der styrer den daglige verden, hurtigt deres velkendte betydninger. Fysisk intuition svigter dybt i nanoverdenen. Man skal smide sine forudfattede meninger væk, siger Reed. Du ser alle slags usædvanlige effekter. For det første kan elektroner gå steder, som de ifølge klassisk fysik ikke kan være. I nogle tilfælde, siger Reed, er det som at kaste en tennisbold mod en garageport og få bolden til at springe ud på den anden side.

Det er også her, nutidens siliciumbaserede elektronik begynder at svigte. På nanoskalaen lækker konventionelle transistorer elektroner som sigter, og dopingatomerne, der er indsat i silicium for at kontrollere dets egenskaber, opfører sig som enorme, akavede kampesten. Men hvis nanoskalaen udgør skarpe forhindringer for konventionelle elektroniske teknologier, åbner den også op for bemærkelsesværdige nye muligheder, der kan få nutidens elektronik til at ligne Model T.
Hvis elektroniske enheder kunne reduceres til størrelsen af ​​individuelle molekyler, ville spillet blive fuldstændig ændret. Molekylær elektronik blev foreslået i 1970'erne af Mark Ratner, som nu er ved Northwestern University, og Ari Aviram fra IBM. I årevis forblev det en fristende idé langt ud over eksperimentelernes evner. Men i løbet af de sidste par år er førende forskere begyndt at lave egentlige ledninger og komponenter ud af enkelte molekyler. Og nu er de begyndt at lave rå enheder, der rent faktisk virker.

På Yale har Reed og hans kolleger for eksempel lavet en diode af flere individuelle organiske molekyler. Den simple diode, der er flere nanometer lang, er langt fra en praktisk anordning, siger Reed. Men, tilføjer han, det er et første, opmuntrende skridt til at lave transistorer og logiske enheder i den skala.

Nanonudler

en nøgle til fremskridt inden for molekylær elektronik kunne være et eksotisk molekyle kaldet kulstofnanorøret. Denne bemærkelsesværdige kulstofstruktur - opdaget af forskere ved Japans NEC i 1991 - er en tæt kemisk fætter til buckyballen, en ny form for kulstof opdaget af Smalley i 1985. Men mens buckyballen er et fodboldformet molekyle med 60 kulstofatomer, nanorør er lange rør af en sammenrullet plade af grafit. De er elektrisk ledende og er blevet lavet til ledninger på kun få nanometer i diameter.

Nanorør er, både bogstaveligt og metaforisk, en tunnel mellem nano- og makroskopiske verdener. Disse strukturer muliggør en lang fiber, der kun er et par atomer bred. På et praktisk plan, siger Smalley, kan batterier bruge nanorør både til at transportere elektroner mellem atomer og til at transportere en ladning centimeter væk. Deres store dyd er, at de er molekylære, siger Smalley. Hvert nanorør, siger han, er en enhed, der har sin egen adfærd og integritet. Det betyder, at du kan skubbe de enkelte kulstofmolekyler rundt, som små nanologer.

Faktisk virker et nanorør lidt mere som kogt spaghetti, siger Phaedon Avouris, leder af IBM Researchs videnskabs- og teknologigruppe i nanometerskala i Yorktown Heights, NY. Hvert nanorør klæber til en overflade, og denne vedhæftning er stærk nok til at bevare enhver form, du skubbe den ind. Vedhæftningen giver også god elektrisk kontakt mellem nanorøret og metalelektroderne.

Senest har Avouris og hans kolleger manøvreret en af ​​disse nanonudler for at bygge bro over et par elektroder og drevet molekylerne til ringe og bogstaver. IBM-forskerne har også lavet en funktionel felteffekttransistor - en grundlæggende elektronisk enhed - ved stuetemperatur ud af et enkelt nanorør.

Den vellykkede udvikling af molekylær elektronik ville betyde, at en enkelt chip kunne rumme milliarder af transistorer i nanoskala, hvilket gør en computer i størrelsesordener kraftigere end nutidens maskiner. Det kunne også betyde at bygge små og billige computere, der huser millioner af nano-transistorer; sådanne computere på størrelse med saltkorn kunne nemt og billigt inkorporeres i snesevis af andre produkter - selv i smarte materialer.

Nanoteknologi kunne også muliggøre informationslagringsenheder med enorm kapacitet. Efterforskere ved IBM Research i Zürich, ledet af fysikerne Gerd Binnig og Peter Vettiger, bygger en mikromekanisk prototype, der bruger små siliciumspidser til at læse og skrive databits, der er mindre end 50 nanometer brede. Det ville udmønte sig i harddiske med lagerkapacitet på tæt på en billion bytes (terabytes) - et par størrelsesordener større end harddiskene på nutidens top-of-the-line pc'er. Det kan også betyde små produkter, f.eks. på størrelse med et armbåndsur, der har enorm lagerkapacitet.

I deres eksperimenter bruger Binnig og hans medarbejdere AFM tippet til at læse nanobits af information på en polymeroverflade. At bruge et enkelt tip ville dog betyde en proces, der er alt for langsom til at være praktisk. Binnig har derfor kablede arrays af mere end 1.000 AFM-spidser, der fungerer parallelt. Arrays kan hurtigt skrive information ved at slå bittesmå fordybninger i underlaget og læse nanobitterne ved at detektere fordybningerne.
I mellemtiden har Binnigs kolleger hos IBM Zürich brugt STM til at fremstille endnu mindre nanoobjekter med urværkspræcision. James Gimzewski, en IBM-kemiker, har bygget en udsøgt lille abacus. Gimzewski brugte STM-spidsen som finger til at flytte abacus-perlerne, som er buckyballs med en diameter på mindre end 1 nanometer.

Gimzewskis seneste opfindelse er et hjul konstrueret af et propelformet molekyle, der spinder på en lille, lejelignende struktur. Gimzewski siger, at mens det roterende molekyle foreslår mulige fremtidige nanomaskiner, forbliver forskningen embryonal. På dette tidspunkt, siger han, hvis du kan få noget til at fungere i nanoverdenen, skal du ikke bekymre dig om dets praktiske funktion. Vi er lige begyndt. Det er ligesom børn, der leger med lego.
Zürich-værket afspejler en dybt forankret og stærkt schweizisk tro på mekanik. Fysiker Binnig siger, at mekanik er blevet overset, fordi elektronik er så vellykket. Det anses for gammeldags. Hans enhed til informationslagring fungerer dog mere eller mindre som en lille fonografnål.

Mens du udforsker nanoverdenen, siger han, bliver mekaniske enheder et attraktivt alternativ til elektronik.
Binnig siger, at den mekaniske tilgang kan udvides langt ud over datalagring, og at alt, hvad du kan gøre elektronisk, kan du gøre mekanisk. Elektronik er særlig god til at lede energi ad præcise veje til et veldefineret sted. Men, siger han, nanomekanik har en fordel ved at arbejde med meget lavt strømforbrug. Mens en 3-D nanoelektronisk enhed ville smelte med det samme af sin egen varme, siger Binnig, kunne du forestille dig en 3-D nanomekanisk enhed, der ville køre køligt. Hvad mere er, kan mekaniske enheder vise sig at være lettere end elektronik at integrere med biologiske, optiske og kemiske systemer.

Gå ind i hypen

det er et sted her omkring, at videnskaben begynder at blive blandet sammen med science fiction. Hvis du kan lave et nanohjul, hvorfor så ikke et nanogear? En selvdrevet nanobåd? Hvorfor ikke bygge en nanorobot til at flytte rundt på atomerne for dig?

Og mens du er i gang, hvorfor så ikke lave nanorobotter, der kan kopiere sig selv, hvilket gør det muligt at bemande nanofabrikker, der er i stand til at sammensætte næsten alt ud af atomernes grundlæggende byggesten? Velkommen til molekylær fremstilling, som prædiket af nanoevangelisten Drexler. Kernen i den Drexlerske vision er en dims kaldet en samler. Dette antydede robotapparat ville fungere ved mekanisk at placere atomer i praktisk talt enhver konfiguration. Hvis kemien mellem atomerne ikke tager, ville samleren anvende en lille mekanisk kraft (Drexler og hans tilhængere kalder det mekanokemi). Få milliarder af disse samlere til at arbejde parallelt for at arrangere alle atomerne helt rigtigt, så kan du bygge næsten alt, hvad du kan forestille dig.

Der er kun et problem: Kun få kemikere, fysikere eller materialeforskere ser noget bevis for, at dette vil være muligt. Mange tilhængere af Drexlers vision er dataloger, der glæder sig over at simulere, hvordan det hele vil fungere. De producerer elegante molekylære modeller af nanogear og pumper, men tilbyder ingen klar plan for, hvordan man rent faktisk bygger sådanne ting.

Tilhængere af molekylær fremstilling er ikke afskrækket af skepsisen hos deres mere almindelige kolleger - selvom de indrømmer, at deres vision vil tage årtier at blive realiseret. Teoretiske beregninger og computermodellering siger, at det kan lade sig gøre, insisterer Ralph Merkle, en datalog ved Xerox Palo Alto Research Center og en direktør, sammen med Drexler, fra Foresight Institute. Merkle forsvarer især de to nøgleforslag, der har trukket mest ild fra andre videnskabsmænd: forslaget om selvreplikerende samlere og positionskontrol af atomer og molekyler til at udføre mekanokemi.

I selvreplikation ville en molekylær computer lede konstruktionen af ​​en nanorobotarm til at bygge en anden computer; denne anden computer styrer derefter konstruktionen af ​​en anden lille computer, og så videre. Selvreplikering er et begreb, der har sparket rundt i datalogi i årevis, siger Merkle, og logisk set burde det virke. Ideen om positionskontrol kræver, at robotarmene præcist placerer atomer og molekyler på en måde, så de binder sig og danner, hvad du vil. Så længe du ikke overtræder nogen fysiske love, siger Merkle, giver denne mekaniske tilgang til kemi mening.

Men Drexlers kritikere påpeger, at kemi er en meget kompleks proces på molekylært niveau. At spille kemi, siger Smalley, betyder at kontrollere atomer i tre dimensioner. På hvert reaktionssted mærker atomer påvirkningen fra et dusin eller deromkring naboatomer; for at lave mekanokemi skal du kontrollere hver enkelts bevægelse. For en nanorobot ville det være en ufatteligt kompliceret jonglering. Andre højt respekterede forskere afviser simpelthen Drexlers ideer. Siger IBMs Eigler: Han har ikke haft nogen indflydelse på, hvad der foregår inden for nanovidenskab. Baseret på det lille, jeg har set, er Drexlers ideer nanofantastiske forestillinger, der ikke er særlig meningsfulde.

Samlebånd

under alle omstændigheder, før forskere bekymrer sig om at bygge nanofabrikker, skal de finde ud af en praktisk måde at masseproducere enhver enhed på nanoskalaen. Nogle håber at få forskellige eksotiske former for litografi (optisk litografi er standardteknologien, der bruges til at ætse mønstre på siliciumchips) til at virke under 100 nanometer. Men hvor små - og hvor hurtige litografiske metoder i sidste ende kan blive, er nogens gæt (se Chips Go Nano, s. 55). Ligeledes er det at skubbe molekyler rundt et ad gangen ved hjælp af en STM en meget langsom og svær måde at lave noget på. Hvad mere er, når du er færdig, har du stadig kun en meget lille genstand. At bygge en enkelt computerchip et atom ad gangen ved hjælp af nutidens STM-teknologi ville ifølge et skøn tage 1.000 år.

En løsning er at forbinde STM- eller AFM-spidserne i et array, der fungerer parallelt - et nanomekanisk samlebånd, der kan appellere til Henry Ford. Dette er den strategi, IBM's Binnig tager i sin informationslagringsenhed. Og selvom det er en opgave at forbinde disse små arrays og omdanne dem til en fungerende enhed, tyder den foreløbige forskning hos IBM Zürich og flere andre laboratorier på, at det måske kan fungere.

Men mange mener, at det langsigtede svar ligger i en proces, der kaldes selvsamling. I modsætning til den drexlerske konstruktionsplan, der bruger selvreplikerende nanorobotter til at flytte atomer rundt, er selvsamling afhængig af kemi til at placere stykkerne af en nanoskalastruktur, der drager fordel af visse molekylers evne til at arrangere sig selv i komplekse strukturer. I kemiske termer virker selvsamling, fordi molekyler søger det termodynamiske minimum af den struktur, du ønsker. Tænk på det som et præfabrikeret hus, der bygger sig selv ved hjælp af kemi.

Men indtil videre har kemikere og materialeforskere lært kun at bygge de enkleste strukturer. Kunststykket med at samle specifikke funktioner i materialerne og kombinere forskellige materialer er fortsat en skræmmende udfordring.

Løsningen på det problem kunne afgøre, hvilke nanoenheder der er praktiske - og hvor lang tid det tager for dem at komme på markedet. For de fleste applikationer skal du fremstille og integrere milliarder af nanoobjekter. Og for at konkurrere på områder som informationsteknologi, skal du gøre det meget billigt. Det, siger mange videnskabsmænd, vil kræve kemiens syntesedygtighed. Forvent ikke, at nogen kommer til det punkt, hvor du tilføjer ingredienser i et bægerglas, og der kommer et integreret kredsløb ud, siger Yale's Reed. Håbet er dog, at selvsamling i sidste ende kan placere nanoelektroniske enheder, hvor du vil have dem, siger Reed.
Det vil tage tid. Men der er opmuntrende tegn på, at denne tilgang vil virke. Selvsamling er på en måde, hvor kemi og materialevidenskab - kunsten at bygge faktiske ting - møder nanoskalaens fysik. Fysik har givet videnskabsfolk midlerne til at manipulere nanoobjekter og forstå nanoverdenens virkemåde, og nu søger forskere til kemi og materialevidenskab for de næste fremskridt, der vil hjælpe med at gøre alt dette arbejde til en praktisk teknologi.

Ingen ved rigtigt, hvor disse gennembrud vil komme fra - eller selvom de kommer. Men efterhånden som videnskaben om nanoverdenen vokser, begynder formen på de virkelige muligheder at dukke op fra nanotågen.

skjule