Wires of Wonder

Det var den slags opdagelse, der kun sker i kemi en gang hvert par årtier - hvis du er meget heldig. I 1985 lavede Richard E. Smalley og flere samarbejdspartnere ved Rice University en form for kulstof, der aldrig er set før. Arrangementet af kulstofatomer i hvert molekyle lignede en lille geodætisk kuppel, så forskerne kaldte materialet buckminsterfulleren efter arkitekten, der havde populariseret formen. Med sit pænt strukturerede netværk af atomer blev buckyballen hurtigt plakatmolekylet for nanoteknologi. Så i begyndelsen af ​​1990'erne gjorde forskere en anden opsigtsvækkende opdagelse: man kunne også lave hule rør af den samme kulstofstruktur. Carbon nanorør havde mange gange stærkere af stål, den elektriske ledningsevne af kobber, og var diameteren af ​​et DNA-molekyle. De var kort sagt perfekte materialer til opbygning og ledning af nano-verdenen.

Mere end et årti efter hans første opdagelse viser Smalleys entusiasme for de nye materialer ingen tegn på aftagende. Sidste år var han med til at stifte en virksomhed, Carbon Nanotechnologies, for at fremstille de kommercielle mængder af nanorør, der vil gøre det muligt for andre laboratorier at skubbe teknologien fremad og udvikle applikationer. Men hans fortsatte begejstring for fullerener (som den generelle kategori af disse kulstofbaserede molekyler er kendt) går langt ud over forventning om fremtidige teknologiske anvendelser. Smalley, der er uddannet spektroskopist, er kemiprofessor ved Rice siden 1976, og er fascineret af selve molekylerne. Da Smalley modtog Nobelprisen i kemi i 1996 for forskning i fullerener, kaldte Smalley opdagelsen for en af ​​de mest spirituelle oplevelser, som nogen af ​​os i det oprindelige hold af [forskere] nogensinde har oplevet.

Denne historie var en del af vores marts 2001-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Center for Nanoscale Science and Technology til $33 millioner, som Smalley etablerede i 1995 og nu leder, sidder på kanten af ​​Rice campus i Houston som en vidnesbyrd om potentialet i fullerener. Antallet af forskergrupper på nanoteknologicentret vokser så hurtigt, at Smalleys eget laboratorium er flyttet ved siden af ​​til tredje sal i Rices Space Science Center. Technology Review viceredaktør David Rotman besøgte for nylig Smalley for at spørge om fremtiden for nanoteknologi og høre, hvorfor nobelprisvinderen synes, at nanorør er så specielle.

TR: Hvordan har den øgede opmærksomhed og finansiering, såsom præsident Clintons 495 millioner dollars nanoteknologiske initiativ for 2001, påvirket nanoteknologiområdet?

SMALLEY: At få præsidenten til at tale om det har opmuntret videnskabsmænd og teknologer til at begynde at sætte nano i deres forslag. De ved, hvad det nye buzzword er. Men mere imponerende for mig har været, hvordan denne idé har fanget fat hos dem derude, der laver videnskab. Og jeg får ikke fornemmelsen af, at det er kunstig kropsholdning. Kernedisciplinerne kemi og fysik har opvarmet til denne idé. En del af det har været et svar på finansieringen. Men jeg tror, ​​at der virkelig er en generel forståelse af, at der virkelig er noget her. Kemien og fysikken er nu avanceret til det punkt, at du kan tænke på, og i nogle tilfælde faktisk bygge og lave eksperimenter på, [nano] strukturer af tilstrækkelig kompleksitet til, at der sker noget nyt.

TR: Er der en fare for, at nanoteknologi, ligesom mange andre buzzwords, begynder at miste sin egentlige betydning?

SMALLEY: Jeg kan godt lide ordet nanoteknologi. Jeg kan godt lide det, fordi præfikset nano garanterer, at det vil være grundlæggende videnskab i årtier; teknologien siger, at det er ingeniørarbejde, noget du er involveret i, ikke kun fordi du er interesseret i, hvordan naturen fungerer, men fordi den vil producere noget, der har en bred indvirkning. Når du sætter de to ting sammen i ét ord, er der en spænding. Efterhånden som vores discipliner, især kemi og fysik, er blevet modnet, beskæftiger vi os nu med ting på et meget grundlæggende niveau, som har en praktisk betydning.

TR: Når du ser på det forskellige arbejde, der foregår inden for nanoteknologi, hvad får dig så mest begejstret?

SMALLEY: Jeg må indrømme, at jeg bare er besat af kulstof nanorør. Det er svært for mig at gå mere end 10 minutter uden at tale om dem. Jeg synes, de er den fedeste ting derude, og jeg tror, ​​de vil have den største sandsynlige indflydelse. Men hvis jeg bryder mig selv væk fra det et øjeblik, tror jeg, at forskning i det, jeg kalder våd/tør-grænsefladen, er intellektuelt mest spændende for mig. Det kan være, at det er her, vi om 20 år vil se tilbage og sige, at vi har gjort store fremskridt. Det, jeg kalder den våde side af nanoteknologi, er cellelivets maskineri. Efterhånden som vi lærer at forbinde dette naturlige maskineri med uorganiske, elektromekaniske strukturer og systemer konstrueret på nanometerskalaen (den tørre side af nanoteknologi), vil store nye grænser blive åbnet både inden for grundlæggende videnskab og i praktisk teknologi.

Når det er sagt, kan jeg vende tilbage og sige, at nanorør vil være enormt vigtige for våd/tør-grænsefladen, fordi de bringer noget nyt til spillet. Organiske molekyler [kulstofholdige molekyler, der er grundlaget for levende ting] er storslået alsidige, men der er nogle ting, de ikke kan gøre godt. Faktisk er der nogle ting, som biologiske systemer endnu ikke har været i stand til at finde ud af, selv efter fire-plus milliarder år. En ting er at lede elektricitet på den måde, metaller gør. Andre er termisk ledning og styrke og sejhed. Knogler er meget imponerende, og det samme er tænder. Men de er ikke stål, endsige hvad nanorør kan gøre med styrke og ledningsevne. Så at være i stand til at tage et kulstof nanorør og få det ind i det molekylære biologiske område - uanset om det faktisk er opløst og er en af ​​spillerne, eller som en sonde eller som en del af et implantat, som en del af en ny membran - det er virkelig at bringe noget helt nyt på bordet inden for biologi. Næsten en fremmed ting.

TR: En fremmed ting fordi...

SMALLEY: Fordi den leder strøm. Det bringer de egenskaber, du ikke kan få fra andre organiske molekyler. Og det er stadig kulstof, så det har organisk kemi. Her er et objekt, der i en superlativ grad har de aspekter, som vi har mest centrale i den uorganiske verden: hårdhed, sejhed, fantastisk styrke, termisk og elektrisk ledningsevne. Ting du bare ikke kan med knogler og træ. Men det er lavet af kulstof. Det er noget, der spiller spillet på samme perfektionsniveau som molekyler og liv.

Der er elektricitet i biologiske systemer, men det er på grund af ioner, der bevæger sig over membraner. Nerver virker ved elektrisk ledning; elektriske ål har bestemt elektricitet. Men den slags elektricitet er anderledes end den, der kører i ledninger og huse, kører rundt om computere, får radioer til at fungere. Det er ikke den slags elektricitet, der har at gøre med, at elektroner bevæger sig på en sammenhængende måde over lange afstande med lidt tab. Det er egenskaben ved metaller, ved uorganiske forbindelser.

TR: Og nu kunne nanorør bringe denne form for elektricitet til biologiske systemer?

SMALLEY: Ja. De bringer til molekylærbiologien, til de ting, der støder om natten inde i en celle, et nyt legetøj at lege med - noget, der leder elektricitet.

TR: Hvad bliver det nye legetøj?

SMALLEY: Følg med i det næste årtusinde, så ser vi. Jeg kunne give nogle eksempler, men de ville virke ret fodgængere og ad hoc. Indtil du tilføjer noget som dette til blandingen, er der ingen måde, at det utrolige maskineri af levende celler kan konstruere noget, der kan lede elektricitet med metallernes effektivitet. Her har vi et [organisk] molekyle, der kan gøre det. Jeg tror ikke, at nogen er dygtige nok til at forudsige de store konsekvenser af det. Men Herren ved, hvor mange år der vil gå, før nanorør er en del af levende celler. Før det kan vi bruge nanorør som prober ind i celler, som prober til at påvise strukturen af ​​molekyler, til at sekventere DNA. Det er vidunderlige nye ledninger til at gøre det.

TR: Hvilke projekter arbejder du og din gruppe på nu?

SMALLEY: Det største fokus er at lave nanorør. Det er, hvad denne virksomhed i første omgang handler om, at tænde for tappen, så forskere over hele verden får adgang til de mest uberørte kvalitetsrør, som vi overhovedet kan lave i store mængder til lave omkostninger. Vi ønsker at gøre nanorør tilgængelige til små nok omkostninger til at lade din fantasi flyve. Disse rør kommer i tre typer: metaller [fremragende elektriske ledere] og to typer halvledere. Jeg vil producere dem med høj nok effektivitet til, at jeg kan levere et kilogram af et bestemt rør.

BØRN : Så du søger at gøre nanorør mere bredt tilgængelige. Andre grupper ser på nanorørene udelukkende ud fra et applikationssynspunkt. Hvad er nogle af de interessante applikationer, de arbejder på?

SMALLEY: I den nærmeste periode ser det ud til, at en applikation vil være i [fladpanel]-skærme. En række virksomheder har allerede prototypeskærme, der bruger nanorør. Jeg vil ikke blive overrasket, hvis du ser skærme med nanorør på markedet inden for et par år.

Et andet område, der vil være hurtigt, er som tilsætningsstoffer i ingeniørplast [brugt i strukturelle eller højteknologiske applikationer som computerhuse]. Du kan give anledning til antistatisk adfærd ved selv meget, meget lave niveauer af nanorør, og afskærmning for EMI [elektromagnetisk interferens: sådan afskærmning bruges til at beskytte bærbare computere og anden bærbar elektronik] på meget moderate niveauer. I modsætning til alt andet, du tilføjer til polymerer for at gøre dem antistatiske eller til EMI-afskærmning, vil dette sandsynligvis øge ingeniørplastikkens sejhed og styrke. Jeg forventer også inden for et par år, at du vil finde kommercielt tilgængelige nanorørspidser på atom-kraftmikroskopprober. Brug i nanoteknologiske gadgets generelt forventer jeg virkelig vil blomstre i de næste fem år eller deromkring.

Det, vi gerne vil se, er, at forretningen udvikler sig, så der er økonomiske incitamenter til at bygge en stor [fremstillings]proces op og få prisen langt ned. I øjeblikket er prisen på nanorør omkring 500 dollars pr. gram. Beregn tallene. Det er næsten 230.000 dollars pr. pund. Med tiden vil disse ting blive lavet som en massevare tættere på $10 pr. pund eller endda under det. Men du bliver nødt til at bygge et anlæg, og markedet skal være derude. Den hastighed, hvormed virksomheden udvikler sig, er stærkt afhængig af disse tidlige markeder.

TR: Håbet er, at efterhånden som du får flere og bedre materialer derude, vil ansøgningerne åbne sig?

SMALLEY: Det er rigtigt. Og det næste år bliver et sandt skelsættende, fordi vores proces vil være at lægge minimum 10 kg ud i forskningsmiljøet. Den samlede produktion af enkeltvæggede nanorør af enhver kvalitet har indtil nu sandsynligvis været mindre end et kilogram.

TR: Selvfølgelig opfylder ingen af ​​disse kortsigtede applikationer virkelig det enorme løfte om nanorør, gør de? Såsom at fungere som en elektrisk leder i et biologisk miljø?

SMALLEY: Og det, jeg talte om før, var kun på våd/tør-grænsefladen. Så kommer du tilbage til den tørre side. Der er en vanvittig udkant af nanorørsverdenen, som vi endnu ikke har talt om. I løbet af det næste år vil der i mit laboratorium, og jeg formoder i mange rundt om i verden, være et stort skub for at udvikle metoder til at spinde kontinuerlige fibre-makroskopiske fibre-af nanorør med en høj grad af orientering [nanorørene ville blive justeret som ubehandlede spaghetti i en æske]. Jeg tror, ​​det bliver en succes, og det bliver noget særligt.

I én retning er nanorør den stærkeste forbandede ting, du nogensinde vil lave i universet og er fremragende elektriske ledere; i den anden [vinkelrette] retning er de floppy, og den elektriske ledningsevne er ret dårlig. Så i materialer, hvor du ønsker elektrisk ledning, bekymrer du dig om, hvor godt nanorørene er justeret. Jeg tror på, at det vil være muligt at lave kontinuerlige fibre af nanorør i en effektiv spindeproces, der vil få alle rørene på linje. Det vil jeg ikke kalde den sindssyge udkant; Jeg tror, ​​det kommer til at ske. Men lad os nu tale om den virkelig vanvittige ekstrem. Hvad hvis disse spundne fibre var en kilometer lange i stedet for en mikrometer lange?

TR: I teorien kunne du lave nanorørfibre en kilometer lange?

SMALLEY: I teorien kan du lave dem til Alpha Centauri. Hvad ville være styrken af ​​en lang fiber? Du ville have den stærkeste forbandede ting, der nogensinde er lavet i universet. Kan vi nogensinde gøre det? Og hvad gavner det? Hvis du kunne lave den billigt og en sammenhængende længde, kunne du lave den længste hængebro, du nogensinde har hørt om, elevatorer i rummet. Men buckycables ville også være fantastiske ledere af elektricitet. Det er den logiske erstatning for alle kraftoverførselskabler i verden. Det er i den vanvittige udkant, men det kan jeg sige, fordi jeg er fortaler for det.

TR: Som du ved, har der været en voksende indsats for at bruge organiske molekyler som små kontakter i nanoelektroniske enheder ( se Molekylær computing , TR maj/juni 2000 ). Hvilken rolle forventer du, at nanorør vil spille i molekylær elektronik?

SMALLEY: På lang sigt ser det ud til, at de skal finde ud af, fordi de er nano, og de leder elektricitet. Hvorvidt de vil finde sig i nanoelektroniske gadgets i det næste årti, tror jeg ikke, nogen er smarte nok til at vide. Faktisk er der ingen, der er smarte nok til at vide, om der vil være nogen nanoelektroniske gadgets i det næste årti. Men de fleste er enige om, at hvis du skulle vælge den elektriske leder i nanoelektronik, vil det i sidste ende blive et nanorør. Vi bliver bare nødt til at følge med for at se, hvor hurtigt det sker.

TR: For nu er selv noget så simpelt som at placere et nanorør, hvor du vil have det, stadig en udfordring, er det ikke?

SMALLEY: Vi er virkelig børn, ikke engang børn, babyer, i at forstå, hvordan nanorør fungerer.

TR: Alligevel tænkte jeg på, hvor hurtigt området for nanoteknologi har bevæget sig. Da jeg interviewede dig for et par år siden, talte vi meget om hypen omkring nanoteknologi. Nu, hvor flere og flere seriøse videnskabsmænd er involveret, ser det ud til at have bevæget sig ud over det.

SMALLEY: Det var nøglefaktoren, seriøse videnskabsmænd, der blev involveret, som er langt væk fra nanobots [robotter i nanoskala figurerer i mange spekulative visioner om nanoteknologi]. Vi har ikke helt fuldført opgaven med at de-nanobotte feltet. Men hovedpointen er, at nanoteknologi er så vigtig, at vi ikke ønsker, at den kun skal forbindes med nanobots. Hvorvidt de nogensinde kan ske eller ej, er et andet spørgsmål, men der er en så meget bredere virkelighed for nanoteknologi - og på en måde en meget mere interessant.

skjule