A jövő forradalma: nanotechnológia<br/>

"Én úgy látom, nem mond ellent a fizika alapvető törvényeinek, hogy bármit is összeszereljünk, atomról atomra." (Feynman, 1959)

A nanotechnológia egy új fogalom, benne a nano azt jelenti, hogy milliárdodrész, ami ezerszer kisebb, mint egy mikron, a technológia pedig az anyagok tulajdonságainak megváltoztatását és termékek gyártását jelenti. A mikrotechnológia ma már közismert szó. Mikroprocesszorok, számítástechnika, internet és játék jut róla eszünkbe. A nanotechnológia a jövő tudománya, és hosszú út vezetett hozzá.

A technológia története

Kezdetben vala a dorong, a kőbalta és a tűz. A tűz égette ki az agyagedényt és a téglát; a tűz olvasztotta ki a kövekből a fémeket; tűzzel készült az üveg és az égetett mész is. A kovács, a fazekas, az üveges és a mészégető is technológus volt, amikor megpróbálta megérteni és továbbfejleszteni a felhasznált anyagokat, szerszámokat és műveleteket.
Az a technológia, ami ma lehetővé teszi, hogy finom ételeket együnk, szép ruhákban járjunk és kényelmesen utazzunk, nagyon ronda csecsemőként jött a világra. Az első pillanattól kezdve a szerszámok mellett fegyverek is készültek. Már a kőbaltát is kétféle célra használták őseink: munkára és harcra. Eszközeink elkezdték nemcsak szolgálni, de pusztítani is az embereket. A hadiipar és a fegyvergyártás ősidők óta, napjainkon keresztül, még hosszú évszázadokig a technológiai fejlődés motorja volt és lesz. Ez így talán félelmetesen hangzik, de sajnos igaz.

A finommechanika

Ha van nanotechnológia és mikrotechnológia, akkor valahol lennie kell millitechnológiának is. Van is! Ötszáz éve, a nagyítóüveg és a csipesz feltalálásával született meg, és úgy nevezzük, hogy ötvösművészet, órásmesterség és finommechanika. Csuda dolgokat tudtak ám elődeink is! A mesterek maguk készítették szerszámaikat, és munkájuk rendkívüli ügyességet igényelt, hiszen nem voltak még finom gépek, és nem voltak különleges anyagok sem.
Nem gyártmány volt, amit csináltak, hanem műalkotás. Ezeket egyedileg építették, és kézi munkával. Az órások az órákon kívül mindenféle zenélő és mozgó szerkezeteket is készítettek, mert már ők is ismerték a programvezérlést. Komoly műszereket állítottak elő a kor tudósai, gyógyszerészei és alkimistái számára. Néhány műszaki emlék és iskolai szemléltetőeszköz megmaradt, és a működő példányok precizitása ma is csodálatra méltó.

A mikroelektronika

A mikrotechnológia ma éli virágkorát, és az elektronika, azon belül az informatika döbbenetes fejlődését hozta magával. Létét a mikroszkópnak köszönheti, és legfontosabb eszköze a fotolitográfiának nevezett folyamat, amikor vékony rétegekből alkatrészeket készítünk a fényképezés segítségével. Néhány négyzetmilliméternyi területre elektronikus erősítő- és kapcsolóelemek ezreit és millióit lehet ilyen módon felépíteni. Az benne a legszebb, hogy ezek az összetett alkatrészek tömegesen készülnek, olcsók, és rendkívül megbízhatóan működnek.

A mikroáramkörök piaci versenye önmagát gerjesztő folyamattá válik, ezért a legnagyobb teljesítményű mikroáramköröket ma méregdrága játékokban használják tömegesen. Az őrülten gyorsuló fejlesztés közben vetődött fel, hogy hol lehet a mikrotechnológia határa. Az áramkörök elemi részecskéje, a tranzisztor nem lehet kisebb sok ezer atomnál, mert akkor működése nem folyamatos, hanem ugrásszerű lesz, és nem kiszámítható, hanem véletlen. Ez azért van így, mert elkezdjük észlelni az atomok és a molekulák mozgását leíró kvantummechanika törvényeit.

Összeszerelni valamit atomokból?

A kvantummechanika nemcsak a mikrotechnológia határát jelenti, hanem egy új világot is nyit számunkra, ha képesek vagyunk törvényeit megérteni és felhasználni. Az elvi lehetőségre egy Feynman nevű tudós és zseniális fizikatanár mutatott rá 1959-ben, mondván: "Én úgy látom, nem mond ellent a fizika alapvető törvényeinek, hogy bármit is összeszereljünk, atomról atomra."
A módszer a gyakorlatban is működik, több mint hárommilliárd éve. Mi magunk vagyunk rá a bizonyíték, hogy ez lehetséges. A természetben az anyag élő állapota a Földön már használja a nanotechnológiát. A sejtek belsejében szervezetten és pontosan épülnek fel, ha nem is atomokból, de nagyon egyszerű, akár csak néhány atomos molekulatöredékekből az élethez szükséges anyagok.
A biológusuk és vegyészek ezt a folyamatot egyre pontosabban ismerték, de csak elképzelni tudták. Nem volt olyan eszközük, amivel láthatták volna a molekulákat.
Egy fiatal fizikus, Gerd Karl Binnig a Frankfurti Egyetemen a szupravezetés kutatásával foglakozott. Pontosan ismerte a szupravezető anyagok vegyi összetételét, látni akarta tehát az atomokat egyenként.

Abban az időben ezt lehetetlennek tartották, mert egy mikroszkóp felbontása nem lehet jobb, mint amennyit a fény hullámhossza lehetővé tesz, és ez több ezerszer nagyobb egy atom méreténél. Rövidebb hullámokkal (röntgen, gamma) az a baj, hogy nem visszaverődnek a minta felületéről, hanem áthaladnak az anyagon. Hullámokra optikai műszert építeni annál nehezebb, minél rövidebb a hullámhossz. A fizikusok tudták, hogy az elektron, mint hullám, tízszer, százszor rövidebb lehet, mint a fény. Sokkal jobb felbontású mikroszkópot lehet vele készíteni, de az úgynevezett elektronmikroszkóppal még a legnagyobb atomokat sem lehet látni.

A nagy ötlet

Binnig ötlete az volt, hogy az atomok láthatóvá tételéhez nem kell sem nagy energiájú sugárzás, sem felgyorsított részecske. Csak egy tű kell, valami mozgató szerkezet és egy árammérő. A tű elhalad a minta felülete fölött. Villamos feszültséget kapcsolnak rá. Ha hozzáér a mintához, akkor folyik áram, ha nem ér hozzá, akkor nem folyik.
Mozgó tűvel mikroszkópot készíteni elvileg nagyon egyszerű. Ha közel kerül egy atomhoz a tű hegye, és az elektron hullám, akkor kevesebb áram folyik, mintha hozzáérne a tű, és több, mintha távol lenne tőle. Ezt az áramot alagútáramnak, és az ilyen mikroszkópot alagútmikroszkópnak nevezzük. Egy tű persze csak úgy tud képet alkotni, ha sorról sorra végigpásztázza a felületet. A pásztázó mikroszkóp elve nem új. A elektronmikroszkópok nagy része is úgy működik, hogy az elektronsugár soronként letapogatja a minta felületét.

Egy anekdota szerint Binnig elmondta az ötletét egy professzornak. A professzor mosolygott, bólogatott, és azt mondta, hogy szerinte ez egy őrültség, de ha mégis sikerülne megépítenie, akkor Nobel-díjat fog érte kapni.
A professzornak jó oka volt, hogy őrültségnek nevezze.
Egy ilyen műszer megépíthetősége valahol a nagyon nehéz és a lehetetlen között van.
A műszer működését két dolog nehezíti:

Az egyik az, hogy a hő hatására az atomok rezegnek, és rezgő atomot fényképezve csak homályos foltokat látnánk a képen. Le kell hűteni a mintát, amennyire csak lehet. A nulla kelvin elérhetetlen, de meg kell közelíteni a nullát, amennyire csak lehetséges.
A másik nehézség a földrengés. Földrengés mindig van. A hetes erősségű pusztít, a négyest alig lehet érezni, a nullás meg az, amit soha nem veszünk észre, mert folyamatosan együtt élünk vele. Finom műszerekkel persze kimutatható, de Binnig most nem földrengésjelzőt akart építeni.
A professzor Binnignek azért emlegette a Nobel-díjat, mert egy ilyen mikroszkóp óriási jelentőségű. A tudósok sejtik, hogy milyen lehet egy kristályrács vagy egy molekula, ezen keresztül pedig mindenki láthatja.
Binnig nem tudta volna egyedül megvalósítani ötletét. Szüksége volt ipari háttérre és egy társra. Ő és az IBM zürichi laboratóriumának egyik fizikusa, Heinrich Rohrer 1978-ban kezdték fejleszteni a pásztázó alagútmikroszkópot (Scanning Tunneling Microscope – STM). Sikerült megoldaniuk a hűtést, a minta felfüggesztését és a tű mozgatását is. Az átfolyó áramot nem mérték, hanem állandó értéken tartották, és a tű mozgása mindhárom dimenzióban lekövette a minta felületét, atomnyi méreteknél is finomabb felbontással. Nagy munka volt, de 1981-re elkészültek vele, és öt évvel később, 1986-ban a Svéd Királyi Akadémiától megkapták a fizikai Nobel-díjat.

Addigra kiderült, hogy a pásztázó alagútmikroszkóppal nem csak az atomokat lehet látni, hanem az atomok közötti kötéseket is. Sőt, nemcsak mérni lehet vele az atomokat, hanem mozgatni is. A műszer tehát háromszor annyit tudott, mint amennyit megalkotói valaha is álmodni mertek. Akkor született meg a nanotechnológia.
A platinafelületre xenonatomokból kirakott IBM-reklámfelirat fényképe az újságok címoldalán jelent meg, és ettől kezdve egy új, soha nem látott világ tárult fel az emberiség szeme előtt: az atomok világa.

Lehet látni az atomokat, sőt az elektronhullámokat

Mesterséges formákat, szerkezeti elemeket lehet létrehozni

Játszani is lehet vele...

Egy-két molekulát hosszú idő alatt összerakni csak játék. A természetben a különleges molekulák az élő rendszerekben tömegesen jönnek létre. Erre két alapvető eszközük van: a másolás és a vezérlés. A másolással a DNS és az RNS, tehát az információtároló molekulák jönnek létre, a riboszóma vezérlésével pedig az univerzális építőanyag, a fehérje szintézise történik.

A nanotechnológia jövője

Nem láthatunk a jövőbe, de vannak könnyen elképzelhető dolgok. Számomra például az, hogy az első mesterséges, vezérelhető molekula-összerakó molekulát STM-mel készítjük el, de más különleges molekulákat már az új mikroméretű robottal. Kell még valami eszköz vagy folyamat, ami a mintamolekulákat a kívánt mennyiségben lemásolja.

Készíthetünk olyan molekulákat, amelyek semmiféle vegyi vagy biológiai folyamattal nem hozhatók létre.

Készíthetünk olyan információtároló (memória)áramkört, ahol egy molekula vagy csupán néhány atom tárol egy (1) bitet. Ehhez azt kell megoldani, hogyan juttathatjuk be és hogyan olvashatjuk ki információt. Egy ilyen molekuláris memória kapacitása elérheti az emberi agyét, a matematikusok szerint még asszociatív is lehet, de lenne egy óriási hiányossága: nem tudna értelmesen felejteni. Nem tudná szelektíven törölni a szükségtelen vagy káros információkat.

Készíthetünk információfeldolgozó áramkört. Viszonylag egyszerű lenne a kapcsolómátrix, sokkal bonyolultabb a mikro- vagy stílszerűbben nanoprocesszor. Ha egy nanoprocesszor mérete tízszer tízszer tíz mikron, akkor belőle egy emberi agy méretű térfogatba sok milliárd kerülhet, és a gép - kissé gépiesen ugyan, de - gondolkodni kezd.

Készíthetünk energiatároló molekulát is. Sejtjeinkben az energiatároló molekula neve adenozin-trifoszfát, rövidebben ATP. Az energiatároló molekula lehetővé tenné nagy mennyiségű villamos energia tárolását, és az ilyen akkumulátorral nemcsak elektromos autót, de például elektromos repülőgépet is lehetne készíteni.

Készíthetünk energiaátalakító molekulát. Hőenergiát alakíthatunk villamos energiává mindenféle forgó-morgó gépek nélkül. Az átalakítás hatásfoka alig javulna, hiszen alapvető természettörvényeket nem sérthet, de mérete és tömege kicsi, élettartama pedig hosszú lenne.

A nanotechnológia korlátai

Nem készíthetünk atomreaktor-molekulát még nanotechnológiával sem.
Ha majd pontosabban megismerjük az atommag szerkezetét, nem kell óriási reaktorokat építeni. Az atomreaktorban ma a neutronok áramlása rendezetlen hőmozgás. Ahhoz, hogy a neutronok olyan rendezetten és szervezetten mozogjanak egy reaktormolekulában, mint például ma az elektronok egy mikroprocesszorban, ahhoz egy új tudomány, az atommagok szerkezetét láthatóvá és manipulálhatóvá tevő úgynevezett pikotechnológiára lesz szükség.

A technológiában minden egymásra épül. A nagyítóüveget üveges, a csipeszt pedig kovács készítette el. A mikrofényképezéshez finommechanika, kémia és optika kellett. A pásztázó alagútmikroszkóp a mikroelektronika terméke. A pikotechnológia legfontosabb eszközének ma még a nevét sem tudjuk, de azt sejtjük, hogy a nanotechnológia fogja majd létrehozni.

Barna József

Ajánló:

Magyarországi kutatóhelyek. A vakvéletlen birodalma. Fantasztikus anyag, magyar nyelven, közérthető formában a kvantummechanikáról. Talán a legjobb és leggazdagabb induló oldal a nanotechnológia témakörében. A 21. század technológiája. Mindent megtalál, ami a nanotechnológiával kapcsolatos!

Korábban: