» »

Nanotehnologija, I.del

V svetu, ki ga poznamo, so vsi predmeti narejeni iz atomov. V sedanjem svetu so to velike, statistično neurejene skupine, ki služijo zgolj konstistetnosti, vendar pa razvoj narekuje, da naj bi ščasoma ti atomi opravljali vsak svojo določeno nalogo. Ker je sam velikostni razred molekul in orodij, s katerimi z njimi manipuliramo, manjši kot 10-9 m, se je postopkov prijelo ime nanotehnologija.

Kaj je nanotehnologija?

Ko sem razmišljal, kako naj na najbolj razumljiv način podam definicijo nanotehnologije, sem na strani CORDIS-a našel besede evropskega komisarja Besquina, ki pravi, da "nanotehnologije ne moremo definirati samo s termini dimenzij. Gre namreč na konvergenco disciplin, kot so fizika, kemija in biologija na mejah znanstvenega raziskovanja". Izjava sicer podaja vse vidike, ki jih nanotehnologija zajema, kljub temu pa ni najbolj praktična. Takšna pa je razlaga na strani dr. Merkleja , ki pravi, da "je sedanja tehnologija kot sestavljanje lego kock z boksarskimi rokavicami. Nanotehnologija pa je orodje, ki nam bo snelo rokavice". Vsem tehnologijah, ki jih lahko dodamo predpono nano, pa je skupno to, da mora biti velikost gradnikov, ki jih obravnava, največ 1000 nanometrov.

Kaj nam omogoča?

Ne glede na to, ali pri manipulacijah na največ mikrometrskem velikostnem nivoju uporabljamo termine nanotehnologija, molekularna nanotehnologija ali molekularna proizvodnja, ki se kot sinomini pojavljajo v literaturi, morajo te zadostiti naslednjim pogojem:

  • vsak atom mora biti na svojem mestu
  • vse strukture se morajo podrejati fizikalnim zakonom na molekularnem nivoju
  • zaželena je ekonomičnost procesa

Trenutno poznamo dva načina za dosego teh ciljev, in sicer samosestavljanje in pozicijsko nadzorovano sestavljanje. Obe tehnologiji imata svoje prednosti in slabosti, vendar, kot bomo videli kasneje, se druga metoda kaže bolj perspektivna.

Samosestavljanje

Idejo za samosestavljanje nam je ponudil najboljši mentor, ki je nanotehnologijo obvladal že mnogo pred pojavom človeka, in sicer narava. Kot se spomnite iz kurikuluma biologije, so virusi kljub temu, da so sestavljeni iz osnovnih gradnikov gostiteljskih celic in proteinov, za katere zapis nosijo v svojem genomu, relativno kompleksni. Sam princip njihove biogeneze namreč temelji na sestavljanju posameznih gradnikov, ki jih izdelajo druge celice.

Če pogledamo še vidik prepoznavanja v molekularnem svetu, ki temelji predvsem na obliki in nabojih in ga povežemo s prejšnjo ugotovitvijo, pridemo do zaključka, da bi lahko ob primerni izbiri osnovnih gradnikov, ki bi imeli nasprotne naboje in komplementarne površine, ter magičnem dotiku, ki se imenuje termično gibanje, dobili samosestavljene strukture.

Princip je zelo ekonomičen in enostaven, vendar pa ima eno pomankljivost, in sicer statistično verjetnost, da samo en napačno vgrajen gradnik lahko povroči porušitev integritete in izgubo funkcionalnosti. Kot kaže, procesorja v prahu še nekaj časa ne boste mogli kupiti.

Pozicijsko nadzorovano sestavljanje

Drugi princip, po katerem bi lahko sestavljali atome, temelji na še precej poznani tehnologiji STM. Scannig Tunneling Microscopy, ki se skriva za kratico, je metoda, ki nam omogoča, da preko merjenja privlačnih sil in/ali električnega toka s tipalom preberemo površino snovi do atoma natančno. Ključno vlogo pri metodi igra togost, saj je tipalo precej veliko, atomi pa se zaradi Brownovega gibanja naključno premikajo.

Tunelski mikroskop

vir: TUW

Ker je tipalo preveliko, da bi lahko opravljalo nalogo, ki jo želimo pri nanotehnologiji, sta se pojavila dva hipotetična koncepta nanorobotskih rok. Prvega je predlagal Eric Drexler , in sicer gre za skupek okoli milijona atomov velikosti 100 krat 30 nanometrov s približno 100 gibljivimi deli. Princip delovanja je podoben tunelskemu mikroskopu, vendar je precej manjši. Izračuni so pokazali, da za svoje delovanje ne potrebuje medija, ker zglobi zaradi lastnosti atomov delujejo tudi v praznem prostoru, da pa bi preprečili upogibanje ob silah, ki nastopajo, pa bi bil izdelan iz diamanta.

Togost je dejavnik, ki je pri nanotehnologiji, za razliko od "klasične", igra zelo pomembno vlogo, in je ključna za uspešnost procesa. Pri fiziki ste verjetno spoznali, da se na atomskem nivoju pojavlja naključno - Brownovo - gibanje. V kolikor je hipotetična roka izpostavljena termičnemu gibanju, kar se v resnici dogaja, mora biti za svojo funkcionalnost dovolj trdna. Poleg tega je površina diamanta dovolj inertna, da ne pride do zatikanja na njej.

Robotska roka

vir: Zyvex

Drexlerjeva ideja je sicer dobra, vendar je še vedno izpostavljena mehanskih obremenitvam, zato se je vzporedno razvil še en koncept, in to so Stewartove ploščadi. Osnova tej ideji je dejstvo, da je polieder, sestavljen iz togih trikotnikov, povsem trden. Kot je razvidno iz slike, lahko s spreminjanjem variabilnih delov določamo položaj glave, ki drži "orodje", ki manupulira z atomi. Kako Stewartova ploščad izgleda v treh dimenzijah, si oglejte tukaj.

Stewartova ploščad

vir: Zyvex

Ker je ideja očitno bolj perspektivna, se je pojavilo še nekaj modifikacij Stewartowe ploščadi, kot so dvojni trinožnik, koleno in koleno s petimi oporniki. Več informacij o slednjih najdete na tem naslovu.

Samoreplikacija

Kot ste verjetno sedaj že dobili predstavo, so orodja, ki nam bodo omogočala izdelavo na molekularni ravni, kompleksna in bodo zato ustrezno draga. Tudi, ko nam bo uspelo izdelati nanostroj, ki bo delal to, kar bomo želeli, bo ta ustrezno drag. Način, kako povečati uporabnost in dodano vrednost ter zmanjšati stroške, nam je spet ponudila narava. Ta je uspešnim procesom dodelila lastnost, da se sami od sebe mupliplicirajo.

Kot je predlagal Drexler, naj bi tak tak nanostroj ali "assembler", kot ga imenuje, sestavljala nanoračunalnik in graditelj. Slednji bi imel robotsko roko in sistem za proženje kemijskih reakcij, ki bi lahko iz molekul odstranjeval ali dodajal atome ali prekinjal izbrane vezi.

Hipotetičen assembler

vir: Tech World

Seveda bi moral tak sistem imeti ustrezen zapis, ki bi mu določal, kaj in kako mora delati. Drexler je tako ocenil, da bi naj bila kompleksnost njegovega assemblerja okoli 10.000.000. Če definiramo kompleksnost, ugotovimo, da je to število bajtov, ki jih potrebujemo, da popolnoma definiramo sistem. Če ta podatek primerjamo s podatkom, da ima najbolj poznana bakterija Escherichia coli kompleksnost okoli 1.000.000, človek pa kar 800.000.000, ta podatek nakazuje, da je realno pričakovanje za uspeh.

Ogljik kot modelni primer

Današnjega sveta si brez ogljika ne znamo predstavljati. Trenutno je poznanih okoli 23.000.000 organskih in anorganskih spojin, od tega več kot 99 procentov odpade na spojine ogljika. Glavni razlog je sposobnost ogljika, da tvori štiri kovalentne vezi, ki posledično pripeljejo do ketenacije ali tvorbe verig, vezi pa so močne in se tvorijo zelo hitro, kar je tudi razlog za veliko stabilnost teh spojin. Poleg tega ogljik odlikuje dejstvo, da se lahko nahaja v dveh zelo različnih oblikah, ki sta posledica urejenosti atomov. Tako ima, kot vam je verjetno znano, diamant štiri enakovredne močne vezi, ki imajo za posledico veliko trdnost pri majhni teži, grafit pa ima tri vezi, ki so močnejše kot pri diamantu, zaradi vezanega elektrona pa ima dobre prevodne lastnosti.

Struktura diamanta

vir: Institut Laue-Langevin

Diamant tako ni samo znan kot najbolj trdna snov, ampak ima še več dobrih lastnosti, ki ga trenutno postavljajo kot skoraj idealen fragment za manipulacijo v nanotehnologiji. Zakaj, bom razložil na primeru molekularnih logičnih vrat.

Kot veste, je število preklopov, ki so jih zmožna v časovni enoti izvesti logična vrata, odločilno za hitrost integriranega vezja, ki ga tvorijo. Ker v tem primeru preklop pomeni pozicijo elektrona, je jasno, da višja hitrost elektrona pomeni več preklopov, kar tudi želimo doseči. Kljub temu pa višja energija, ki je potrebna za pospeševenje elektronov, pomeni, da se več toplote oddaja v okolico. Tu se pokaže že prva prednost ogljika pred silicijem, saj ima slednji manjši koeficient toplotne prevodnosti.

Druga velika prednost diamanta je energija, ki je potrebna, da elektroni preidejo iz valenčnega v prevodni pas. Ta za diamant znaša 5,47 eV, za silicij pa 1,12 eV. Če upoštevamo dejstvo, da z višanjem temperature, ki je posledica segrevanja, vse več elektronov prehaja v prevodni pas, in dejstvo, da diamant energijo oddaje veliko bolje kot silicij, je razvidno, zakaj je ogljik veliko primernejši. Polprevodniki namreč izgubijo svoje lastnosti, ko je večji del elektronov v prevodnem pasu.

Če pogledamo, kako trenutno izdelujejo diamant za industijsko uporabo, vidimo, da je postopek relativno nezanesljiv in zamuden. Metoda, ki je imenuje "chemical vapor deposition" namreč temelji na odlaganju par ogljika na reaktivnih plinih vodika ter ogljikovih radikalov. Drug problem, ki se pojavlja, je hidrogenirana površini nastalega diamanta, ki je bolj ali manj inertna, tako da ta postopek ni primeren za izdelavo diamantih polprevodnikov. Kljub temu, v zadnjem času se pojavlja več metod izdelave umetnega diamanta, ki je kvaliteten do te mere, da lahko preslepi celo poznavalce.

Mikrokristaliničen diamant, naparjen na silicij

vir: Bristol University

Rešitev se ponuja v nanotehnologiji, in temelji na dodajanju in odvzemanju atomov s površine. Ključni del je zamenjava vodika z drugim, bolj reaktivnim atomom, kot je npr. ogljik ali pa reaktiven karben. Postopek bi z veliko natančnostjo, torej brez napak, opravili nanostrojčki. Pot do želenih ogljikovih spojin, ki bodo podobno kot ogljik lahke, je samo stvar časa, posebej, ko bodo razviti ustrezni "assemblerji", saj je ogljika v naravi več kot dovolj. Tako lahko kasneje z dodajanjem drugih atomov pridemo do vse bolj kompleksnih nanosistemov, ki nam bodo omogočali pestro paleto storitev.

Zaključek

Nanotehnologija se je teoretično, in vsaj kar se tiče izdelkov tega velikostnega nivoja praktično, pokazala za perspektivno. Kako se trenutno že uporablja, kaj nam bo v prihodnosti še ponujala in na kaj bomo morali biti v prihodnje pozorni, ter to, kako se je stroka in politika pripravila na prihodnost, pa si bomo ogledali prihodnjič.

Vabim pa vas tudi, da svoja mnenja o nanotehnologiji izmenjave v tej temi, vsem, ki vas zanima še veš, pa priporočam, da preberete tudi izbrana poglavja Drexlerjeve knjige Engines of Creation, še več povezav pa najdete na tem naslovu.

Mnenje: Patentiranje programsko izvedenih izumov - da ali ne?

Mnenje: Patentiranje programsko izvedenih izumov - da ali ne?

  • ::

Poiskusi sprejema direktive o patentiraju računalniško izvedenih izumov so v državah članicah EU sprožili številne reakcije javnosti. V Sloveniji se je izoblikovala Iniciativa programski patenti, ki je o vprašanju patentiranja računalniško izvedenih izumov ...

Preberi cel članek »

Osnove elektrotehnike

Osnove elektrotehnike

Pogosto slišimo pojme, kot so električna napetost, tok, moč, in še veliko drugih, pa ne vemo, kaj pomenijo. Zato smo za vas pripravili kratek članek, v katerem bomo spoznali najpomembnejše pojme elektrotehnike. Električna napetostSuhoparna definicija pravi: Električna ...

Preberi cel članek »

Nanotehnologija, II.del

Nanotehnologija, II.del

Če ste se že soočili s patetno zakonodajo ali pa imate zgolj priložnost ta del spoznavati v segmentih vašega študija,vam je termin stanje tehnike znan. Drugače pa, če se z njim še niste srečali, gre preprosto za pregled dosežkov danega področja ...

Preberi cel članek »

CRT proti LCD (1. del)

CRT proti LCD (1. del)

Uporaba elektronskih naprav za prikazovanje slike, ki temeljijo na LCD ali CRT tehniki, kamor štejemo med drugim računalniške in TV zaslone, digitalne prikazovalnike na mobitelih ter urah, je postala v zadnjem času del našega vsakdana. Še več, brez njih si življenja ...

Preberi cel članek »

ABIT BE6-II

ABIT BE6-II

[st.slika 41664] Čipovje: i440BX, HighPoint HP366 Možne zunanje frekvence: skoraj neskončne! Faktorji pomnoževanja: ...

Preberi cel članek »