NANOTEHNOLOGIJA

Pripremio: Prof. dr Branislav Čabrić

Manipulacija materijom

Fabrika veličine atoma?

Čovek se od davnina interesovao za objekte beskrajno malih veličina. Ipak, njihova manipulacija je ostvarena tek nedavno. Nanotehnologija se pojavila kad su naučnici mogli da vide pojedinačne atome i molekule, zahvaljujući saznanjima o ponašanju materije na nanoskali. Manipulisanjem pojedinačnih molekula i atoma, nanoinženjeri su u stanju da naprave materijale s jedinstvenim osobinama, koji obećavaju brz napredak u svakoj grani industrije.

Da bi se videli atomi i da bi se njima manipulisalo, potrebni su posebni instrumenti. Pravu revoluciju je predstavljalo otkriće skenirajućeg tunel mikroskopa (scanning tunneling microscope - STM). Zahvaljujući ovoj spravi, naučnici mogu da „osete“ atome („olovkom“ urađen novi svet, slika 1). Za razliku od tradicionalnih mikroskopa, STM nema sposobnost da ponudi običnu već daje modelizovanu sliku površine. STM mikroskop funkcioniše isključivo sa provodnim materijalima kao što su metali. Kada su u pitanju izolacioni materijali, kao što je slučaj sa većinom živih bića, naučnici koriste mikroskop na principu atomskih sila (mikroskop atomskih sila MAS - engl. Atomic Force Microscope, AFM) koji „oseća“ Van der Valsove sile i omogućava da se površina „opipa“.

Gerd Binnig (1947-) i Heinrich Rohrer (1933-2013) su 1981. konstruisali STM mikroskop. Tada počinje posmatranje i manipulacija atomima. Već 1986. ova dva naučnika su dobila Nobelovu nagradu za fiziku. Ovo priznanje svedoči o značaju njihovog otkrića koje baca novo svetlo na materiju i otvara vrata mnogim primenama na polju fizike, hemije i biologije. Za realizaciju svog ostvarenja koristili su tunel-efekat kojim se objašnjava mogućnost da čestice pređu prepreke koje su na prvi pogled nepremostive. Na primer, elektron može da prođe iz jednog atoma u drugi ako razmak između njih nije prevelik. STM mikroskop koristi ovu pojavu da bi napravio slike predmeta na skali reda veličine nanometra. Jedna od primena STM mikroskopa sastoji se u pomeranju i izdvajanju atoma. Na taj način je moguće nešto ugravirati ili stvoriti složenija elektronska kola.

Treba naglasiti da na nano-skali zakoni fizike koje poznajemo, kao što je zakon gravitacije, postoje i dalje, ali se njihov uticaj smanjuje dok se uticaj drugih pojačava, kao što je slučaj s Van der Valsovim silama. Ispod nanometra postaju važniji drugi zakoni, tj. zakoni kvantne mehanike.

Slika. Ilustracija pomeranje nanoklastera zlat (Au) na pljosni (001) kristala kuhinjske soli (NaCl) pomoću skenirajućeg tunel mikroskopa (STM).

Polje pluridisciplinarnosti

Nekoliko godina zaredom fizičari, hemičari i biolozi su radili na skali reda veličine nanometra. Krajem devedesetih, postajali su svesni unakrsnih istraživanja i njihovih potencijala. Zahvaljujući ovom spajanju pogleda i stavova, naučnici su razmenjivali iskustva i otkrivali nova rešenja za probleme koji odavno postoje.

Slika . Ilustracija skenirajuće tunel mikroskopa (STM).

Philippa Cinquina, specijalistu za medicinsku informatiku, pitali su: da li je pluridisciplinarnost danas prisutna u njegovom poslu? On je odgovorio: „Za moju struku je to evidentno: bilo bi idealno da imamo profesionalce koji su kompetentni u više sektora“. Za hemičara Didiera Boturyna, specijalistu za molekule od interesa za biologiju, „saradnja biologa i hemičara postoji od devedesetih godina. Naučni rad se sve češće objedinjuje, studenti sa različitih katedri već biraju teze koje rade sa komentarima“. Zahvaljujući objedinjavanju disciplina, moguće je iskoristiti i kompetencije drugih. Takođe, baca se novi pogled na predmet nauke, smatra fizičarka Myriam Pannetier-Lecoeur: „Kontakt s drugim disciplinama osvežava istraživački duh, što garantuje bolju motivaciju“.

Slika . Struja elektrona (tunel efekat) između vrha igle (TIP) skenirajućeg tunel mikroskopa i atoma na površini (ATOM) stvara vezu/silu pomoću koje se može pomerati atom.

Obzirom da je atom zajednički objekat u fizici, hemiji i biologiji, nanotehnologije predstavljaju polje gde se pomalo brišu tradicionalne granice između nauka pa će budući nanotehnolozi morati da savladaju generička znanja zajednička ovim disciplinama. Neke škole i univerziteti već pružaju specijalističke studije ove vrste.

Fabrike veličine atoma?

Da li bi mogle da se grade fabrike veličine atoma? Ako bi se to desilo, onda se više ne bi govorilo o postavljaju kamena temeljca nego atoma temeljca. Ova ideja krči sebi put u „bottom-up“ konceptu, koji je popularizovao Kim Eric Drexler (1955-). Reč je o izgradnji po uzlaznoj liniji, odnosno o proizvodnji predmeta „atom po atom“. Ovaj način je suprotan „top down“ konceptu izgradnje po silaznoj liniji, koja se danas koristi u minijaturizaciji, a sastoji se u oblikovanju materije. Primera radi, da bi se napravila šibica, može da se niže atom po atom („bottom-up“ sistem) ili da se krene od seče celog drveta („top down“ sistem).

Kim Eric Drexler, američki inženjer, jedan je od prvih koji je formulisao projekat nanotehnologije. U knjizi „Stvaralačke mašine: rođenje nanotehnologije“, objavljenoj 1986, zamišlja mehanički sistem sastavljanja na molekularnom nivou. Ovaj sistem mogao bi da se programira, da poseduje sopstveni izvor energije i, povrh svega, da se razmnoži. On u tome i vidi potencijalni rizik. Ako bi mašine imale sposobnost da se razmnožavaju i da se same sastavljaju, mogle bi da izmaknu kontroli inženjera.

Zabrinutost od samorazmnožavanja

Proizvodnja bez otpadaka jedan je od ciljeva „bottom-up“ sistema. Zamislite fabriku na molekularnom nivou gde bi se svaki proizvod, čak i najkomplikovaniji, stvarao po principu lego-kocki, sloj po sloj, a sastavljale bi ga milijarde majušnih mašina koje bi spajale atom jedan po jedan.

Izveštaj američke fondacije za nauku „National Science Fondation“ iz 1988. definiše nanotehnološki projekat koji ima za cilj da prevaziđe pluridisciplinarnost nanonauka i stvori koncept konvergencija NBIC (Nano, Bio, Info, Congnition). Namera autora je da se usavrše, a možda i promene čovekove sposobnosti. Reč je o ideji po kojoj bi tehnološki razvoj imao prioritet nad biološkom evolucijom. Šta bi bilo dalje? Već su zamišljeni nanoroboti sposobni da se sami razmnožavaju, što je izazvalo prvu javnu zabrinutost za budući razvoj nanotehnologija.

Granice i tehnički izazovi

Koje su granice i koji su tehnički izazovi nanotehnologija. Nanonauke i nanotehnologije istražuju nove granice. Zato naučnici moraju da se suočavaju s novim izazovima. Posebno treba da osmisle i ostvare instrumente i tehnike koje odgovaraju specifičnostima posmatranih predmeta. Takođe, treba da uzmu u obzir posebno ponašanje materije. Postojeći instrumenti omogućavaju danas samo da se proizvedu i izuče prototipovi.

Prvi fetišni instrument nanotehnologija STM mikroskop istražuje i „češlja“ atomsku površinu supertankom iglom koja je takođe sastavljena od atoma. Na tom nivou veličina svi atomi imaju tendenciju da uspostavljaju međusobne veze. Instrument i površina koja se proučava mogle bi tada da se „zalepe“. Izazov se sastoji u stvaranju optimalnog instrumenta i tehnika češljanja koje će omogućiti verodostojnost merenja.

Napraviti bezgranično mali predmet može da zahteva beskonačno vreme ili skoro toliko. Na primer, ako kap vode sadrži 1000 milijardi milijardi (10 21 ) atoma, a operateru je potrebna jedna sekunda da manipuliše jednim atomom, trebalo bi 300.000 milijardi godina da bi se stvorila jedna kap. Drugim rečima, 3,750 milijardi ljudskih života, odnosno 577 planeta od šest milijardi stanovnika svaka...

Danas su istraživači sposobni da stvore nanometrijske predmete u eksperimentalnim uslovima. Potrebno je da istraže razne metode realizacije, razmišljajući hipotetično, proveravajući ideje na testovima, mereći i analizirajući rezultate kako bi došli do industrijske proizvodnje. Cilj je ostvariti standardizaciju tehnika.

Prof. dr Branislav Čabrić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"