Σε γενικές γραμμές όλοι γνωρίζουμε τι είναι τεχνολογία. Πόσα όμως ξέρετε για την νανοτεχνολογία;
Δύσκολο πράγμα να αποδώσει κανείς με λίγα λόγια την εξέλιξη της τεχνολογίας. Για κάτσε και σκέψου όμως πόσα πολλά μικρομέγαλα επιτεύγματα έχουν γίνει σε μόλις μερικές δεκαετίες. Από τις υπολογιστικές μονάδες που κάποτε καταλάμβαναν σε όγκο όσο μια ντουλάπα στα σημερινά PDA που χωρούν σε μια παλάμη. Από τις πρώτες συσκευές κινητής τηλεφωνίας που θύμιζαν walkie-talkie στα κινητά του σήμερα που φωτογραφίζουν, τραβούν βίντεο και ένα σωρό άλλα πράγματα. Από τους δίσκους βινυλίου, στους οπτικούς και στα MP3-players που παρά την μεγάλη αποθηκευτική τους ικανότητα το μέγεθος τους δεν ξεπερνά ένα πακέτο τσίχλες. Μα, τι στο καλό; Μήπως κάτι δεν πάει καλά; Για ποιο λόγο τα πάντα συρρικνώνονται;
Η τεχνολογική εξέλιξη ήταν ανέκαθεν συνδεδεμένη με τον μινιατουρισμό, μια έννοια που χαρακτηρίζει το σύγχρονο πολιτισμό που θα είχε διαφορετική όψη αν δεν υπήρχε η επιστήμη της μικρολιθογραφία. Η συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιείται στην κατασκευή των περίφημων τσιπς. Ένας σημερινός μικροπεξεργαστής αποτελείται από περίπου 40 εκατομμύρια τρανζίστορς ενώ μέχρι το 2015 εκτιμάται πως θα περιλαμβάνει κοντά στα 5 δισεκατομμύρια(!). Κάθε χρόνο η βιομηχανία υπολογιστικών συστημάτων επενδύει τεράστια κεφάλαια για να ξεπεραστούν τα όρια που οι ίδιες είχαν θέσει μερικούς μήνες νωρίτερα (οι επεξεργαστές αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα). Ακόμα όμως και η μικρολιθογραφία έχει τα όρια της. Η αποτύπωση της αρχιτεκτονικής ενός τσιπ με την χρήση ακτίνας λέιζερ ή υπέρυθρης δέσμης έχει ορισμένους περιορισμούς που σχετίζονται με την κλίμακα των «μικρών» (1 micro=0,001 χιλιοστά). Για αυτό το λόγο η επόμενη πρόκληση για τους επιστήμονες έχει να κάνει με τρεις τάξεις μεγέθους παραπάνω που αφορούν στην κλίμακα των «νάνων» (1nano=1.000micro).
Λίγη ιστορία
Για να βάλουμε όμως τα πράγματα σε μια σειρά σας λέμε εκ του προοιμίου πως το ταξίδι στον μικρόκοσμο της ύλης και συγκεκριμένα της νανοτεχνολογίας προϋποθέτει μεγάλη φαντασία καθώς αφορά το αόρατο που πλησιάζει το τίποτα. Η ονομασία της νανοτεχνολογίας (ή αλλιώς μοριακής βιομηχανικής παραγωγής) προέρχεται από το ελληνικό πρόθεμα νάνο- το οποίο χρησιμοποιείται ως μονάδα μέτρησης για δηλωθεί το ένα δισεκατομμυριοστό (0,000,000,001 ή 10-9 μέτρα) της ύλης. Κάτι τόσο μικρό που πολύ δύσκολα μπορεί να αντιληφθεί ο απλός νους. Όσο είναι δηλαδή δέκα μόρια υδρογόνου κολλημένα στην σειρά, όσο το ένα χιλιοστό από το μήκος ενός βακτηριδίου, όσο το ένα εκατομμυριοστό από το κεφάλι μιας καρφίτσας, όσο τέλος πάντων το ένα δισεκατομμυριοστό από οποιαδήποτε ύλη. Αυτός είναι ο κόσμος της νανοτεχνολογίας, ένας υπομοριακός πεδίο που ωστόσο αγνοούμε την ύπαρξη του. Το ανθρώπινο μάτι διακρίνει λεπτομέρειες χιλιοστομετρικής κλίμακας (10-3). Τα μόρια τοποθετούνται στην νανομετρική κλίμακα (10-9) ενώ τα άτομα ανήκουν στην κλίμακα άνγκστρομ (10-10).
Η ανάγκη όμως για την γνώση της ύλης πέρα από το άτομο δεν προέκυψε έτσι ξαφνικά. Ο Λεύκιππος ήταν ο πρώτος που είχε ασχοληθεί, μέσα από λογικά συμπεράσματα, πως η ύλη αποτελείται από άτομα ενώ αργότερα ο μαθητής του, ο Δημόκριτος, σχημάτισε μια ολοκληρωμένη άποψη. Άτομο σημαίνει άτμητο, αυτό δηλαδή που δεν διαιρείται. Από τότε δεν υπήρξε καμία σημαντική ανακάλυψη σε μοριακό επίπεδο. Μέχρι όμως το 1905, όταν ο Albert Einstein υπολόγισε το μέγεθος ενός μορίου ζάχαρης σε πείραμα διάχυσης της στο νερό. Το πείραμα του απέδειξε πως η διάμετρος κάθε μορίου ζάχαρης αντιστοιχούσε περίπου σε ένα νανόμετρο. Από εκείνη τη στιγμή τα πράγματα εξελίχθηκαν σχετικά γρήγορα.
Λίγη τεχνολογία
Η πολτοποίηση, η χύτευση και η τήξη είναι διεργασίες οι οποίες κατά μια έννοια αναμειγνύουν την αρχιτεκτονική μιας ύλης με μια άλλη. Στην πραγματικότητα όμως το τελικό προϊόν θα περιέχει πάντοτε δύο ύλες έστω και αν αναφερόμαστε στον όρο του ενός. Ο επακριβής όμως προσδιορισμός σε επίπεδο μορίων θα προσφέρει δομές συνεπείς στους νόμους της φυσικής ώστε κάποια μέρα το συνολικό κόστος κατασκευής να είναι ισόποσο με τις ποσότητες ύλης και ενέργειας που θα χρησιμοποιούνται. Ίσως να περάσουν δεκαετίες, αιώνες, ποιος ξέρει, αλλά η επιστημονική κοινότητας έχει οργιάσει για τα καλά. Δεν είναι τυχαίο άλλωστε πως η κυβέρνηση Bill Clinton εγκαινίασε πριν από μερικά χρόνια το NNI (National Nanotechnology Initiative) επενδύοντας πριν από τέσσερα χρόνια επιπλέον 422 εκατομμύρια δολάρια, φυσικά για την εξέλιξη της νανομηχανικής και της νανοεπιστήμης για το καλό της ανθρωπότητας (ο νοών νοείτο). Σε παγκόσμια κλίμακα έχει επενδυθεί σχεδόν διπλάσιο ποσό, σύμφωνα με τον NSF (National Science Foundation).
Ο ακριβής έλεγχος της ύλης σε μοριακό επίπεδο για ευρεία χρήση είναι το πιο τρελό όνειρο για την επιστημονική κοινότητα. Η μοριακή βιομηχανία θα θέσει νέα δεδομένα σε επιστήμες όπως της ύλης/ αντιύλης ενώ θα επιτρέψει να γίνουν πραγματικότητα διάφορα εξτρεμιστικά σενάρια που σχετίζονται με την ιατρική (επισκευή κυττάρων), στην εξερεύνηση του διαστήματος (κινητήρες αντιύλης), στις τηλεπικοινωνίες (νευρωνικά δίκτυα) και στην βιομηχανία (άφθονη ενέργεια). Φανταστείτε, πως ανίατες ασθένειες, σαν το καρκίνο, θα μπορούν να θεραπεύονται κάνοντας μια απλή ένεση που θα είναι εμποτισμένη με έξυπνα νανοσωματίδια που θα εξουδετερώνουν τον ιό. Φανταστείτε, την ταυτόχρονη εκτόξευση χιλιάδων αυτόνομων ρομποτικών διαστημοπλοίων, όπου το καθένα δεν θα ξεπερνά σε μέγεθος ένα κουνούπι, με σκοπό την μεταφορά στοιχείων για ανεξερεύνητους κόσμους. Όλα αυτά ίσως να ακούγονται ακραίες φαντασιώσεις όσο αν γυρνούσατε πίσω στο χρόνο και λέγατε σε κάποιον για ηλεκτρική ενέργεια, εσωτερικής καύσης και για κομπιούτερ.
Ως τεχνολογία, η νανοτεχνολογία συχνά συνδέεται με την φωτολιθογραφία και πολύ περισσότερο με την βιοτεχνολογία. Η φωτολιθογραφία είναι η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των τσιπς και γενικότερα οποιουδήποτε μικροηλεκτρονικού εξαρτήματος που η δομή του είναι μικρότερη από 100 νανόμετρα (0,001 χιλιοστά). Στην ουσία όμως η φωτολιθογραφία αποτελεί τον πρόδρομο της νανοτεχνολογίας καθώς μπορεί να δημιουργεί δομές στο επίπεδο των «μικρών» αλλά όχι των «νάνων» απέχοντας από την μοριακή βιομηχανία κατά τρεις ολόκληρες τάξης μεγέθους. Από την άλλη, η βιοτεχνολογία προσεγγίζει τα δεδομένα της νανοτεχνολογίας λόγω της δημιουργίας οργανικής ύλης και άλλων φυσικών μοριακών μηχανών χωρίς όμως να υπάρχει ακρίβεια δόμησης μόριο προς μόριο. Ο Bill Gates συνοψίζει τη νέα συνεργασία μεταξύ της πληροφορικής και της βιοτεχνολογίας λέγοντας πως «…ζούμε στην εποχή της πληροφορίας και οι βιολογικές πληροφορίες είναι πιθανώς οι πιο ενδιαφέρουσες πληροφορίες που αποκρυπτογραφούμε και επιχειρούμε να αποφασίσουμε να τις αλλάξουμε. Το ερώτημα δεν είναι εάν θα το κάνουμε αλλά πως θα το κάνουμε». Χμ, ενδιαφέρον ακούγονται τα λόγια του Bill. Μου φαίνεται πως βρήκαμε το νέο μας θέμα.
Ι, NANOROBOT.
Η δόμηση ή αλλιώς η σειρά με την οποία τοποθετούνται τα μόρια καθορίζουν την σύσταση της ύλης. Για παράδειγμα, ο γραφίτης αποτελείται από συγκεκριμένο σύμπλεγμα ατόμων άνθρακα ενώ μια άλλη διαφορετική συνθέτει το διαμάντι. Όταν το αρσενικό είναι απομονωμένο αποτελεί ένα θανάσιμο δηλητήριο ενώ όταν συνδυαστεί στην δομή του γαλλίου δημιουργεί τη βάση πανάκριβων ημιαγωγών. Ο έλεγχος λοιπόν της μοριακής δομής μπορούν να δημιουργήσουν το χάος ή να επιφέρουν την τάξη. Στους τομείς που απαρτίζουν την μοριακή βιομηχανία υπάρχουν μεγάλες διαφορές ανάλογα με τον τρόπο νανοκατασκευής. Για παράδειγμα, στην βιοχημεία και συγκεκριμένα στην νανοχημεία, υπάρχει η δυνατότητα σύνθεσης κρυστάλλων, βιοπολυμερών ή ιστών με ακρίβεια μορίου, χάρη «μαλακή» δομή της ύλης. Στα στερεά υλικά όμως τα πράγματα είναι εντελώς διαφορετικά και η κατασκευή μιας ύλης στο απόλυτο κενό -π.χ. στα εργαστήρια ενός διαστημοπλοίου- είναι εξαιρετικά δύσκολη όσο και ασταθής.
Μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας είναι οι νανοαγωγοί και συμπλέγματα από αυτούς (π.χ. από πυρίτιο) δημιουργούν νανοκατασκευές, δηλαδή ύλη. Πως όμως και ποιος θα φτιάχνει αυτές τις νανοκατασκευές; Μια μελλοντική ιδέα είναι η δημιουργία ολόκληρων εργοστασίων στα οποία θα εργάζονται νανορομπότ με διαστάσεις μερικών micro. Κάθε νανορομπότ, δηλαδή κάθε νανομηχανή, θα αποτελείται από εξαρτήματα, όπως τα γρανάζια και οι βραχίονες, που θα συνθέτουν κατάλληλα δομημένα μόρια. Στους συμβατικής τεχνολογίας κινητήρες η παραγόμενη ενέργεια χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί κίνηση.
PC DNA.
Στο πλαίσιο της νανοτεχνολογίας εντάσσονται και τα κυκλώματα DNA. Ναι, αν δεν το ξέρατε υπάρχουν και τσιπάκια με βάση το DNA. Πριν από περίπου οκτώ χρόνια η κοινότητα των μοριακών βιολόγων συγκλόνισε την επιστημονική κοινότητα ανακοινώνοντας την δημιουργία του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος DNA που διαβάζει τις γενετικές ανωμαλίες. Ίσως δεν είναι μακριά η μέρα όπου ο ασθενής θα πίνει μια πορτοκαλάδα στην οποία θα περιέχονται κυκλώματα DNA που θα τον σαρώνουν διαβάζοντας την γενετική σύνθεση του. Μήπως όμως αυτά τα τσιπάκια θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα ταχύτατο μοριακό υπολογιστή; Οι επιστήμονες έχουν ήδη κατασκευάσει ένα τέτοιο υπολογιστή που ο τρόπος σκέψης του περνά από οδούς κυκλωμάτων DNA και όχι από τσιπάκια σιλικόνης. Οι μοριακοί τεχνολόγοι προβλέπουν πως η έναρξη της νέας βιοτεχνολογίας θα φέρει μια νέα εποχή. Ο Dr. L.Adelman υποστηρίζει πως το DNA σκέφτεται με ψηφιακό τρόπο και επινόησε ένα αλγόριθμο ώστε να μεταφράσει τα βασικά ζεύγη του DNA σε λωρίδες δυαδικής γλώσσας. Ο αμερικανός επιστήμονας πιστεύει πως ο υπολογιστής DNA μπορεί να κατασκευαστεί σε δωμάτιο κενού με κόστος περίπου στα 100.000 δολάρια ενώ η ταχύτητα του εκτιμά πως θα είναι περίπου ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορος από τον πιο σύγχρονο υπολογιστή της εποχής μας. Τόσα και τόσα έχουμε ακούσει γιατί να μην τον πιστέψουμε;
Προς το αύριο.
«Όσο εξωπραγματικό και αν ακούγεται, η ιδέα ενός αυτοκινήτου που θα μπορεί να αλλάζει χρώμα σαν το χαμαιλέοντα ή να μεταβάλλει το σασί του σαν αιλουροειδές μπορεί να διασφαλιστεί από έναν εγγυητή που βρίσκεται ακόμα σε βρεφικό στάδιο: την νανοτεχνολογία». Παράτολμη ή όχι αυτή είναι η πρόβλεψη του Ulf Κönig, μέλος του ερευνητικού κέντρου της DaimlerChrysler στο Ulm της Γερμανίας, για το αυτοκίνητο του μέλλοντος. Επίσης, ο Κönig διευθύνει το τμήμα έρευνας και εξέλιξης στο τομέα των
Μέχρι τότε όμως έχουμε ακόμα καιρό για αυτό ας δούμε τι γίνεται με το σήμερα. Ένα από τα ευρέως γνωστά πλεονεκτήματα της νανοτεχνολογίας είναι το φαινόμενο “lotus” το οποία χαρίζει σε οποιαδήποτε επιφάνεια ιδιότητες αυτοκαθαρισμού. Η ονομασία προέρχεται από το φυτό lotus το οποίο χαρακτηρίζεται από την εξαιρετικά λεία επιφάνεια των ανθόφυλλών του χωρίς να παραμένει κανένα ίχνος υγρασίας ή ακαθαρσίας. Βαφές, πλακάκια και οροφές που χαρακτηρίζονται από την ίδια ιδιότητα υπάρχουν σήμερα στο εμπόριο. Η νανοδομή των υλικών τους εξαλείφει μέχρι και την παραμικρή σταγόνα νερού. Ο καθένας από εμάς θα έχει διαπιστώσει πόσο επικίνδυνη είναι η βροχή που πέφτει στους εξωτερικούς καθρέπτες (ακόμα και αν αυτοί είναι αντιθαμβωτικοί) ή τα παράθυρα
Κάποια μέρα αυτές οι ζάντες θα τοποθετούνται στάνταρ στον εξοπλισμό των αυτοκινήτων της γερμανικής φίρμας όπως ακριβώς συμβαίνει με την επαναστατική βαφή νανοτεχνολογίας. Η τελευταία είναι περιέχει μικροσκοπικά κεραμικά νανοσωματίδια που δημιουργούν μια λακ που προστατεύει το χρώμα του αμαξώματος έως και 40%. Η νανοτεχνολογία εφαρμόζεται ακόμα και σε οχήματα βαρέως τύπου τα οποία χαρακτηρίζονται από τις τεράστιες γυάλινες επιφάνειες. Για παράδειγμα το παρμπρίζ και τα παράθυρα του Evobus της DaimlerChrysler καθώς και του Audi A8 διαθέτουν εξαιρετικά λεπτές ζελατίνες από νανοσωματίδια τα οποία αντανακλούν την υπέρυθρη ακτινοβολία χωρίς το εσωτερικό να μετατρέπεται σε θερμοκήπιο και να επιβαρύνεται λειτουργία του συστήματος κλιματισμού και αν το πάμε πιο μακριά η κατανάλωση καυσίμου. Στον τράκτορα Actross ο πίνακας οργάνων περιβάλλεται από διάφανο νανοπλαστικό στο οποίο δεν υπάρχουν αντανακλάσεις από καμία γωνία. Αξίζει να σημειωθεί πως τo ίδιο συμβαίνει και κόκπιτ του Audi TT. Όλες οι παραπάνω εφαρμογές μπορεί να μην φαίνονται και τόσο σπουδαίες αλλά να ξέρετε πως στο μέλλον η νανοτεχνολογία θα διαδραματίσει μεγάλο ρόλο. Για παράδειγμα σήμερα υπάρχουν εκδόσεις μοντέλων, όπως η Mercedes-Benz Ε-Class και το Audi A8, που εξοπλίζονται με ηλιοροφές φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Σε προηγούμενο τεύχος είχαμε αναφερθεί εκτενέστερα στην τελευταία αλλά ας θυμίσουμε πως τα φωτοηλεκτρικά στοιχεία οποιαδήποτε φωτοβολταϊκής διάταξης (PV) περιλαμβάνονται στο τομέα της μικροτεχνολογίας. Στη περίπτωση της E-Class η PV τύπου οροφή παράγει περίπου 30 Watts τα οποία συνδράμουν στη λειτουργία του συστήματος κλιματισμού μειώνοντας τη θερμοκρασία έως και 10 βαθμούς Κελσίου. Το αξιοσημείωτο είναι πως ο κλιματισμός μπορεί να λειτουργήσει ακόμα και αν το αυτοκίνητο είναι σταθμευμένο.
Σαν εναλλακτική λύση της ηλιακής βαφής η ερευνητική ομάδα στο Ulm βλέπει την χρήση μιας ηλιακής ζελατίνας της οποίας η επιφάνεια θα διαθέτει οργανική επίστρωση με ημιαγώγιμες ιδιότητες (Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται για την ιδιότητα τους να επιτρέπουν την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μόνο κατά μια διεύθυνση). Εκτός λοιπόν από την φωτοβολταϊκή τεχνολογία σε προηγούμενο τεύχος είχαμε αναφερθεί εκτενέστερα και στις ενεργειακές κυψέλες. Που κολλάει τώρα η νανοτεχνολογία με αυτή των fuel cells; Θυμηθείτε πως μια συστοιχία κυψελών αποτελείται από πολυμερείς σε σειρά μεμβράνες οι οποίες βρίσκονται εγκλωβισμένες ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια και με λίγα λόγια διαχωρίζουν το υδρογόνο από το οξυγόνο. Με την νανοτεχνολογία οι ειδικοί ερευνούν την βελτίωση της απόδοσης κατασκευάζοντας εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες μειώνοντας παράλληλα και το μέγεθος της μονάδας των κυψελών. Κάτι τέτοιο θα διακόψει την ανάγκη της πανάκριβης πλατίνας σαν καταλύτη. Ωστόσο, η νανοτεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους άλλους τομείς…
Δημοσιευμένο στο περιοδικό RAM (Τεύχος Μαρτίου 2003)
605371nano03_resize.jpg
Schwer_45
605404nano06_resize.jpg
605415nano07_resize.jpg
605427nano08_resize.jpg
605477nano14_resize.jpg
667506a2003f8330_resize.jpg
667559f2003f8335_29_resize.jpg
BiopolymerMembrane_resize.jpg
Convergent3Flat_resize.jpg
Ford GloCar Concept
F4_resize.jpg
Layer1Josh_resize.jpg
RPI-Bonding-luj-a_resize.jpg
Ravi_nanotube_resize.jpg
big_resize.jpg
long_resize.jpg
multiple_resize.jpg
nanocrystals_resize.jpg
newPlanetaryBig_resize.jpg
power5chipdie67fcf00_resize.jpg
pumpWhite_resize.jpg
shaft_resize.jpg