Tendinţe - PC Magazine Romania, Noiembrie 2004

Nanotehnologie - mărimea contează

Adaptare de Elena Andreea Liţă

În centrul acestei lumi minuscule
se află idei atât de mari încât
pot influenţa aproape orice domeniu,
de la producţia materialelor plastice
până la descoperiri majore
în domeniul medical.

Vestea că fiul unui coleg a făcut primii paşi nu merită de obicei mai mult de câteva felicitări politicoase şi vizionarea obligatorie a fotografiilor ataşate e-mail-ului cu pricina. Totuşi, când Nadrian C. Seeman şi William B. Sherman de la New University au făcut un astfel de anunţ, vestea a apărut rapid în toate publicaţiile ştiinţifice de marcă.

Acest interes deosebit a fost stârnit de mărimea "copilului", care era foarte mică pentru vârsta sa. De fapt pentru orice vârstă. Cu o pereche de picioare realizate din ADN, acesta are o înălţime de aproximativ 10 nanometri.

Seeman şi Sherman, care şi-au botezat motivul mândriei şi bucuriei lor A Precisely Controled DNA Biped Walking Device, precizează că acesta nu are nici o aplicabilitate practică. Şi chiar dacă îl numeşte "robot", Seeman pare circumspect în a-l caracteriza drept un prevestitor al automatizării submicroscopice . Totuşi, vede şi posibilitatea unei utilităţi practice. "Încercăm să prelungim distanţele de mers sau să-i punem chiar şi o încărcătură. Probabil vom încerca să-l folosim şi pentru deformarea polimerilor. Poate vom folosi chiar şi rute circulare".

Dar, indiferent de modurile în care va fi folosită, Seeman vede invenţia sa ca pe un eveniment deosebit de important dintr-o serie accelerantă care transformă nanotehnologia dintr-un subiect ştiinţifico-fantastic în realitate palpabilă.

Transformări radicale

Nanotehnologia - ingineria la nivel molecular folosită pentru crearea de substanţe şi dispozitive - nu mai este de mult doar un motiv de glumă sau o viziune futuristă. A început deja să se fie folosită în diverse tehnologii sau chiar produse, influenţându-ne viaţa în diverse moduri. Produsele realizate prin nanotehnogie pot fi întâlnite în maşina pe care o conduceţi sau în pictura de pe perete. În plus, cresc precizia diagnosticării în domeniul medical, îmbunătăţesc compoziţia materialelor de construcţii şi a plasticelor, pavând drumul spre descoperiri majore în electronică şi IT. Nu faceţi confuzii însă: ingineria la scală foarte mică, nu este un subiect la fel de mic.

Infinit de mic

Unul dintre motivele care creează confuzii în jurul acestei tehnologii este chiar faptul că totul se întâmplă la o scală imperceptibil de mică. Un nanometru - unitatea de măsură care a dat numele nanotehnologiei - este a miliarda parte dintr-un metru. Un atom de hidrogen, care este cea mai mică particulă din natură, are un diametru de aproximativ 1/10 nm; un fir de păr are un diametru de aproximativ 75,000 nm. O moleculă tipică fosită în cercetările nanotehnologice poate cuprinde până la 100 de atomi şi măsoară între 1 şi 10 nm în diametru.

Nanotehnologia este greşit înţeleasă şi datorită un bagaj din trecut, pur teoretic: s-a spus despre ea că ar putea pune capăt bolilor şi poluării, că ar putea permite crearea unor fabrici de desktop-uri unde roboţii vor crea orice îţi trece prin minte şi chiar va oferi nemurirea virtuală.

Ultima şi cea mai semnificativă sursă de confuzie este de natură semantică. Până la un anumit punct, definiţia nanotehnologiei depinde de cel pe care-l întrebi. Teoreticianul K. Eric Drexler a inventat termenul de nanotehnologie în 1980, pentru a descrie un proces de producţie moleculară care presupunea folosirea unor părţi sau dispozitive cu dimensiuni între 1 şi 100 nm, o scară de valori pe care a numit-o nanoscală. Astăzi, Dexler se plânge că termenul său a devenit aproape fără sens, şi a început o cruciadă pentru a limita raza de acţiune a nanotehnologiei la obiecte ale căror dimensiuni se încadrează în acea nanoscală, sunt construite în totalitate din blocuri moleculare, fiind opusă tehnologiei de creare a dispozitivelor prin miniaturizare. Principalele diferenţe vizează influenţa stranie a efectelor cuanticii asupra structurilor construite la nivel molecular. În natură, forţele cuanticii se limitează în mod normal la interioarele atomilor şi la legăturile dintre ei. Dar când moleculele sunt asamblate în moduri cu totul noi, efectele cuantice le pot da proprietăţi fizice bizare, dar foarte utile. Exemplele includ o conductibilitate şi o rezistenţă electrică excepţională, o capacitate mare de stocare sau trasferare a căldurii şi chiar abilitatea de a se comporta la fel cu semiconductorii.

Multe dintre promisiunile nanotehnologiei constau în exploatarea proprietăţilor cuanticii. Dar Drexler şi susţinătorii săi au pierdut deja bătălia. Producătorii au extins nanotehnologia pentru a include orice produs sau proces cu dimensiuni sub 100nm, iar limbajul comun extinde termenul pentru a include şi sistemele mecanice microelectrice - MEMS (microelectrical mechanical systems) - o clasă de dispozitive microscopice construite prin tehnici împrumutate de la producţia microcipurilor, inclusiv motoare, sisteme de angrenare, giroscopuri şi dispozitive de declanşare a airbag-urilor pentru maşini. MEMS sunt ultra mici în raport cu aproape orice standard, dar sunt de 1,000 de ori mai mari decât nano-obiectele.

Definiţia largă a nanotehnologiei are avantajul practic de a atrage atenţia asupra graniţei dintre cele mai mici produse realizate prin miniaturizare şi cele mai mari produse obţinute prin construcţie moleculară. În următorii ani, hibridizarea componentelor şi tehnologiilor top-down şi bottom up vor face din acest domeniu un subiect de maxim interes, paşi care vor pava drumul pentru multe schimbări tehnologice radicale.

Circuite

La Intel, harta dezvoltării procesoarelor pentru următorul deceniu prevede miniaturizarea continuă a arhitecturii cipurilor curente, în pararel cu utilizarea noilor tehnologii de calcul bazate pe nanotehnologie. Intel se aşteaptă ca procesele standard de producţie să-şi atingă limitele undeva în 2011, când echipamentele de 22 nm vor reduce dimensiunile tranzistorilor cipurilor la 10 nm, de la 50 nm posibili prin procesul de 90 nm folosit pentru Pentium 4.

Pentru tranzistorii cu dimensiuni sub 10 nm, Intel spune că este "deschis la propuneri". Compania cercetează posibilitatea de a micşora şi mai mult design-ul cipurilor CMOS, folosind noile tehnici de producţie. Acestea includ procesarea cuantică care promite să meargă dincolo de binar, înlocuind bitul cu qbit-ul. Într-un qbit, un electron individual poate semnifica 1,0 sau o a treia poziţie intermediară, permiţând noi abordări ale operaţiilor logice.

Nanomoleculele complexe, numite dendrimeri, pot fi folosite pentru a mapa circuite. Dezvoltate la Michigan Molecular Institute (MMI) şi comercializate prin Dendritech, compania sa afiliată, dendrimer-ii sunt sfere moleculare în serie. Fiecare strat are o compoziţie unică, în funcţie de utilitatea dendrimer-ului - cei mai mulţi fiind folosiţi pentru proiectarea circuitelor.

Dendrimer-ii sunt produşi în dimensiuni discrete. "Pot măsura între 1 şi 10 nm în diametru, iar dimensiunile lor sunt foarte precise", spune Petar R. Dvornic, senior research scientist la MMI. Cu un instrument capabil să mute nanoparticule, cum ar fi un microscop atomic-force, un cercetător poate construi un circuit 2D plasând dendrimer-ii în şir. "Poţi proiecta tot ce doreşti ca un aranjament de mici biluţe, toate de acceaşi dimensiune", spune Dvornic. "Dacă vrei un conductor, poţi folosi o biluţă umplută cu cupru. Dacă doreşti un izolant, foloseşti o bilă umplută cu un material pe care îl poţi calcina cu un laser pentru a crea un spaţiu de aer". Producţia de masă a dendrimerilor nu este însă posibilă în prezent.

Totuşi, în Denver, specialişti din cadrul companiei ZettaCore folosesc nanotehnologia pentru a construi memorii pentru computere, care promit creşteri gigantice ale capacităţii de stocare. Aceştia au proiectat o modalitate de stocare a informaţiei în molecule care imită procesul de stocare a energiei folosit de celulele vii. Procesul gândit la ZettaCore prevede folosirea enzimelor şi a proceselor metabolice pentru a permite auto-asamblarea componentelor moleculare. ZettaCore va realiza o tenhnologie de stocare hibrid care va folosi tehnicile standard de producţie a memoriilor pentru a putea integra dispozitivele sale de stocare cu substraturile cipurilor tradiţionale.

Nanotuburi complet tubulare

Nantero, o mică companie din Woburn, Massachusetts, lucrează la o tehnologie de memorie care poate dubla un mediu de stocare a datelor. Metoda acestora stochează datele prin plasarea electronilor în structuri numite nanotuburi de carbon - o clasă de produse nanotech care se pare că va juca un rol major în orice arhitectură de calcul bazată pe nanotehnologie.

Nanotuburile sunt cilindrii de carbon care au un diametru de 1 sau 2 nm. Acestea sunt primele exemple ale efectelor ciudate pe care le are cuantica asupra nanostructurilor. Nanotuburile de carbon (CN) pot servi ca nanofire în computerele moleculare, datorită unei proprietăţi cuantice numită electron tunneling, care le permite să propage semnale electrice la scale unde curentul obişnuit este imposibil.

Unele proprietăţi cuantice şi mai ciudate ale nanotuburilor constituie baza unor cercetări pentru realizarea unor circuite integrate bazate pe carbon. Variaţii în geometria nanoturiburilor, la înclinări şi diametre diferite, fac tuburile de carbon să acţioneze ca semiconductorii. Deşi producţia de masă a nanotuburilor de carbon cu atribute specifice este doar un vis îndepărtat, CN-urile produse în bulk - prin procese care folosesc o întreagă varietate de lungimi, diametre şi geometrii - sunt unele dintre cele mai fierbinţi produse ale nanotehnologiei, care în scurt timp vor deveni o mini industrie autonomă.

Caracteristicile electronice unice ale nanotuburilor de carbon nu sunt singurele lor facilităţi utile. CN-urile sunt mai puternice decât Kevlar şi mai durabile decât diamantele; adăugate în fracţiuni şi mai mici pot îmbunătăţi semnificativ fibrele şi materialele compozite. CN-urile nu corodează şi nu ard în condiţii normale. Pot fi folosite pentru a face plasticele conductoare electrice. Aceste atribute au făcut nanotuburile foarte populare în diverse domenii de activitate.

Toyota, de exemplu, a adăugat amestecuri bazate pe nanotuburi de carbon la barele de protecţie din plastic şi la panourile uşilor. Pe lângă faptul că aceste părţi devin mai puternice şi mai uşoare, plasticul devine conductor electric, permiţând astfel să fie acoperit cu aceeaşi vopsea ca şi părţile metalice.

În acelaşi timp, Sony şi NEC s-au alăturat pentru a dezvolta o baterie de laptop care foloseşte capacitatea nanotuburilor de stocare a energiei chimice. Companiile pretind că bateria va avea o automonie de câteva săptămâni. Mitsubishi şi Motorola lucrează de asemenea la baterii bazate pe CN-uri, care le permit să aibă orice formă sau chiar să fie integrate în carcasa de plastic a dispozitivului.

Nanoproduse de larg consum

Chiar dacă viziunea lui Drexler privind robo-fabricile subatomice este calificată încă drept ştiinţifico-fantastică, produsele de larg consum bazate pe nanotehnologie sunt deja în jurul nostru. (unele discuţii pe această temă au început cu mult timp înainte să apară un nume pentru aceste lucruri: carbunele de exemplu, a fost un aditiv cheie pentru cauciucurile maşinilor cu mult timp înainte să se ştie că

poate furniza nanoparticule care stabilizează polimerii din cauciuc).

Nippon, gigantul industriei japoneze, a găsit o varietate de utilităţi pentru nanoparticulele compuse din dioxid de titan, o componentă care interferează cu procesele biologice,

atunci când este stimulată de lumină. Nanoparticulele adăugate la sticlă sunt invizibile dar o fac rezistenţă la murdărie. Adăugate în vopsea, nanopaticulele pot omorî bacteriile din spitale sau alte medii sterile.

Nanotehnologia poate juca un rol şi mai direct în medicină, deja aducând beneficii semnificative în depistarea şi diagnosticarea diverselor boli. O categorie largă de produse nanotech sunt nanocristalele semiconductoare, numite şi Qdots, nişte bucăţele din material semiconductor care etichetează diverşi indicatori ai bolii, cum ar fi celulele canceroase sau anticorpii HIV. Qdot-urile, produse de Quantum Dot, folosesc un efect cuantic care fac ca nanoparticulele semiconductorilor care emit lumină (gen LED-uri) să se comporte diferit faţă de corespondentele lor de dimensiuni mari.

Specialiştii de la Quantum Dot au proiectat nanocristale de dimensiuni şi culori precise pe care le-au ataşat la molecule "căutătoare", cum ar fi anticorpii sau ADN-ul. Injectate în venele pacienţilor sau combinate cu probe de laborator, aceste molecule se lipesc de ţintele lor, care pot fi depistate prin lumina nanocristalelor. Acest lucru este posibil chiar şi de la câţiva inci de piele sau ţesut.

Dendrimer-ii, moleculele sferice seriale care sunt folosite pentru circuite, s-au dovedit utili şi în diagnosticarea bolilor şi în tehnici terapeutice aflate deja în proces de lucru. Dvornic vorbeşte despre un dendrimer specializat în administrarea medicamentelor. Acesta va fi format dintr-o sferă care conţine medicamentul, un strat protector care previne împrăştierea medicamentului şi o suprafaţă exeterioară lipicioasă la care se ataşează agentul de căutare. Acesta îndrumă sfera spre ţinta unde va fi eliberat medicamentul.

De vis

Chiar dacă realizăm sau nu, nanotehnologia a început deja să ne influenţeze viaţa. Nanoprodusele contribuie semnificativ la dezvoltarea ştiinţei şi la aplicarea ei în domenii diverse, pornind de la produse cosmetice până la imagistica medicală. Se aşteaptă ca şi mai multe utilităţi ale acesteia să apară rapid în următorul deceniu: cercetări agresive şi investiţii comerciale majore vor duce nanotehnologia la un nou nivel. Utilizări masive ale nanotehnologiei în tehnica de calcul nici nu mai trebuie amintite. În special gadget-urile vor conţine componente bazate pe tehnologia moleculară. Nanotuburile din carbon vor fi folosite din plin în crearea materialelor plastice indestructibile, punând în acest fel în pericol industria pieselor de maşini, pentru a aduce reciclarea în prim plan. Cercetările nanobotice vor continua, posibil într-un ritm mult mai alert decât o face "copilul" lui Seeman. Fabricile cu muncitori infinit de mici sunt încă science fiction, dar cine ştie? Roboţii bipezi vor putea ţese microfilamente sau vor îndeplini sarcini chiar şi mai complicate. Iar între două job-uri...poate vor dansa.