Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizika Szemle 2007/2. 71.o.

NANOTUDOMÁNY, NANOTECHNOLÓGIA

A nanotudomány - amely az anyagtudománynak új, vagy talán "csak" újszerű, fejezete - mibenlétének megvilágításához az anyagtudományból, anyagtechnológiából induljunk ki. A technológiáknak két alaptípusa van. Az egyiket "lebontó"-nak nevezhetjük. Ez dominálta az ősi tevékenységeket, mint például a pattintott kőszerszám előállítását, de ilyen az esztergálás is. Hogy ma kevésbé kedveljük az ilyen jellegű technológiákat, annak elsősorban energia- és anyaggazdálkodási okai vannak.

Az "építkező" technológiáknál a folyamat fordított: itt a kívánatos anyagszerkezetet kis egységenként, akár atomokként - erre Feynman már 1957-ben igyekezett a figyelmet ráirányítani - lehet felépíteni. Erre is hozhatunk példákat a modern technológiák köréből, például rétegbevonatok előállítása, de a mondandónk szempontjából legfontosabb analógia, sőt, példa a növényi élet, ahogy a Nap energiájának közvetlen hatására létrejön, növekszik, virágot nevel stb.

A nanotechnológiának ez az "építkező" technológia alkotja a leglényegét. Ennek két szintje definiálható. Az egyik a pásztázó szondás módszerek családjának preparatív alkalmazása - az ötlet megvalósítása a nanotechnológiai gondolat szülőanyjaként is tekinthető. A család Nobel-díjat is szerző tagja az alagútmikroszkóp (Scanning Tunneling Microscope, STM) - de főleg "anyagmegmunkálásként". Az STM-ben, a tárgyhoz néhány atomnyi távolságra közelített, atomi méretekben hegyes fémcsúcsba "átugráló" elektronok áramát mérjük helyről helyre. Az atomi felbontáshoz vezető nagy trükk nem is a tű hegyezése, hanem a tűnek atomi méretekben finom közelítése, valamint a tárgynak ugyanilyen finom "előtolása" volt. Ez az ötlet sem volt teljesen új: régóta ismert a kvarcóra, amelyben a rezgő kvarckristály úgy "vezérli" az elektromos rezgést, hogy közben a térfogata is duzzad, illetve zsugorodik. A "piezokerámiák" fejlesztése meghozta a precíz mozgatásra is alkalmas piezoelektromos eszközt (l. Márk G., Fizikai Szemle 56 (2006) 190).

Az STM ötlete katalizálta a gondolatokat, és a piezokerámiás mozgatást hasznosító pásztázó szondás módszereknek egész arzenálja fejlődött ki jó egy évtized alatt: a legelterjedtebb a pásztázó erőmikroszkóp (Atomic Force Microscope, AFM), amely előbb a van der Waals-féle vonzó erőket, a további közeledéskor pedig a Coulomb-taszítást használja a domborzat láthatóvá tételére. Az AFM képes működni akár folyadékkal borított felületeken is! Érzékeny elektronikával jó felbontású, helyi elektromos kapacitásmérés is végezhető. Kifejlesztették a fókuszált (lézer)fénnyel működő, pásztázó elvű optikai mikroszkópot is, amelyre a képfelbontást korlátozó, fényelhajlási törvények nem jelentenek olyan éles korlátot.

Ezen eszközök létrejöttével az emberiség kezébe nemcsak új, atomi felbontást lehetővé tevő vizsgálati eljárások kerültek, de a "szondáknak" az anyaggal való kölcsönhatása képes a felületen atomokat célzottan el is mozdítani, el is helyezni - tehát atomi szintű preparatív eszközökként is használhatók! Világos azonban, hogy egy-egy, de akár "könnyen megszámlálható" számú atom célszerű elhelyezése is csak modellkísérletként alkalmas.

Termelésre, azaz sok atom kontrollált mozgatására - átfogó elnevezéssel - az önszerveződés jelensége alkalmas. Ezen azokat a jelenségeket értik, amelyeknél a természeti törvények elrendezik az elemeket, atomokat, molekulákat. Mondhatja a T. Olvasó: "A kristályosodás is ilyen jelenség, mert az is »elrendezi« az atomokat." Nanotechnológiáról akkor beszélünk, ha a természeti törvények atomcsoportok, vagy esetleg néhány száz atomos egységek, illetve nagyobb molekulák elrendeződését idézik elő.

Érthető, hogy emiatt mondják például a kolloidkémikusok, hogy ők mindig is "nanotechnológiát csináltak". Ez csak majdnem a teljes igazság. Korábban a kémiában ugyanis nem volt kulcskérdés, hogy helyileg hogyan a zajlanak a reakciók, csak jöjjön létre a kívánt gél, mono- vagy polimér stb. A nanotechnológia ezzel nem elégszik meg: olyan feladatokat tűz maga elé, hogy akár egyetlen molekulát tudjon célba juttatni, például orvosi alkalmazásoknál. Ehhez képesnek kell lennünk meg is találni azt az "egyetlen" molekulát, majd parancsot adni annak és csak annak. Azaz a térbeli önszerveződést is el kell érni. Ez nagy és új kihívás a nanotechnológiai kémiának. Különösen igaz, ha a nanotechnológiát "nanoelektronika"- ként akarjuk a szolgálatunkba állítani.

1. ábra

A nanotechnológiával kapcsolatban az a vízió elevenedik meg, amit akkor érezhetett az idősebb olvasó, amikor jó pár évtizede a grafit interkalációjáról hallott: ez az a jelenség, amikor az egymással lazán kapcsolódó grafén síkok közé más, például alkáli atomokat sikerült a vegyészeknek "becsempészniük". A fullerénnek nevezett, 60 darab szénatomból álló "labda" felfedezésekor is rögtön kínálkozott, hogy a belsejébe - mint egy "nanodobozba" - atomokat, molekulákat zárjunk, és azokat szükség szerint engedjük ki. A nanotechnológia gyógyászati alkalmazásaként önként kínálkozik a "nanoenkapszulálás" mint eljárás: hogy a gyógyszermolekula a tetthelyen szabaduljon ki a "kapszulából", miután az érzékelő csápok jelt adnak, hogy feloldódhat a védőréteg.

A karakterisztikus méretek nanométerekre való csökkentése sok és gyakran váratlan jelenséget is eredményezett. Néhány példán mutatjuk be ezt - a nanotechnológia több területéről válogatva. Kezdjük a szervetlen világgal: az olvadáspont-csökkenés jelenségével. Az olvadás felületi energiával is kapcsolatos jelenség: a felületen lévő atomok lazább kötésük miatt könnyebben kerülnek át az olvadékba. Ha a szerkezet "nanokristályos", a felületszerű részeinek aránya a térfogatihoz viszonyítva sokszorosa a makroszkóposnak. Érthető, ha ez az olvadáspontnak - akár több tíz Celsius fokkal való - csökkenéséhez vezet.

2. ábra

A fullerénről volt szó, a szén nanocső is rokon vele: az "egyfalú" változat a két végén fél-fél fullerénnel lezárt, grafénszerű széncső. Ha a szabályos hatos gyűrűk helyére ötös vagy hetes gyűrűket építünk be, a keletkező mechanikai feszültség hatására például hengerspirál alakú cső keletkezik (1. ábra).

Szemléletes példákat hozhatunk az optika területéről is. Akár találós kérdésként is feltehető: mennyi fényenergia megy át egy - mondjuk - a felület 20%- ában "nano-lyukacsos" - amelyen a lyukak átmérője kisebb a fény hullámhosszánál - fémlemezen? Kiderül, hogy amit a kisméretű akadályokon való fényszóródásról, interferenciáról tanultunk, az itt nem érvényes. Nem hogy 20%-nál kevesebb, de éppen több fényenergia jut keresztül az ilyen szitán. Fontos azonban, hogy a lemez fémből legyen.

Egy másik érdekesség. A kétdimenziós réseken létrejövő interferencia képleteit ismerjük. Háromdimenziós (3D) rácsokon új jelenségekkel találkozunk. Ha fehér fénnyel világítjuk meg ezt a finomszerkezetű rácsot, lesznek olyan hullámhosszú fénysugarak, amelyek nem tudnak áthatolni a szerkezeten, hanem visszaverődnek. Hogy ilyet már a T. Olvasó is látott? Biztosan. Az élővilágban a "gyöngyház fényű" színek így állnak elő! Ha mikroszkópba tesszük a kérdéses élőlények ilyen szöveteit, nem színeket, hanem a fény szórására alkalmas, finom-, azaz nanoszerkezetet látunk! Ezeket a szerkezeteket fotonikus kristályoknak nevezik, mert - a kristályok elektronjainak analógiájára, ahol szintén vannak tiltott energiájú, azaz a rácsban mozgásképtelen elektronok - egyes fényhullám- hosszakra tiltott az áthaladás. A 2. ábra ilyen nanoszerkezetes lepkeszárny pásztázó mikroszkópos képét mutatja.

3. ábra

Nagyon érdekes, hogy a kedvezőtlen körülmények között (pl. magas hegységben) élő egyedek elvesztették a nászruhájukat és csúf barnák (3. ábra), de megnőtt a túlélési esélyük: azonos napsugárzás hatására a testhőmérsékletük 6-8 °C-kal magasabb!

A nanotechnológia művelői érzik, hogy ez a tudományos- műszaki ág életünk rengeteg területén lehet és lesz meghatározó. Amiatt is remélhető, mert ezzel a termelés leginkább anyag- és energiatakarékos formáját találjuk meg - minél többet és sikerrel tanulunk el például a növényi élet modelljéből.

A közepesen fejlett országokban talán a kémia, az ipari bevonatok, a biológia, a gyógyszeripar, az orvosi terápia területén lehet az első, tömeges alkalmazás. A fejlett országokban azonban a kvantumszámítógép kifejlesztése is a fő prioritások között szerepel. Egyik fejlesztés alatt álló elképzelés D. Jamieson (Melbourne) ötlete: a Kane-rendszerű nanokomputernél, a 28Si-rétegbe implantált egyedi, egymáshoz közeli, így kölcsönhatásban lévő foszforatomok spinjét (amelyek qubitet alkotnak) vezérlik majd az elektródok. A "qubit" a "bit" kvantum-analogonja, amely nem csak 0 és 1 állapotokat tud felvenni, hanem a hullámfüggvények szuperpozícióit is. Az ezzel "számoló" eszköz, mint hatványozottan összekapcsolt párhuzamos komputer működik, majd, talán évtized(ek) múlva.

4. ábra

Credo ....

Ha néha meg is feledkezünk róla, a 21. század alapkérdése az energia, annak gazdaságos előállítása, az azzal való takarékos gazdálkodás. Ennek érdekében minden emberi technológiát újra kell gondolni, hogy
Ebben tud teljesen újat hozni a nanotechnológia.

A Credo másik része a "multidiszciplína": sok területen szinte eltűnnek a természettudományok határai, sőt, közérdek, hogy valami hasonló történjék a közeljövőben a biológiával, mint ami a 20. század első felében a kémiával történt, amikor a fizika, a matematika belevonult és ott "kémiává" vált. Most a biológiát kell átalakítanunk.

A paradigmaváltás két szintje tehát:

Mire gondolok? A mérnöki-fizikusi gondolkodásmódot kell bevezetni a biológiába - hogy kevesebb antropomorfizmus legyen benne ("az élőlény alkalmazkodik ...." - nem így igaz: csak a kevésbé alkalmas elpusztul ....).

Képzeljük el ezen a módon például a csöves csontjainkban keletkező, komplikált gombolyag, a stresszprotein a működését (4. ábra). Megtalálja a sérült fehérjét, de hogyan? Detektálja a fehérje-szekvencia hibás voltát, de hogyan? Átadja a saját testének egy megfelelő részét - milyen energetika vezérli, mi is van a termodinamikával? Hiszen tudjuk, hogy csak atomi erők (van der Waals, hidrogén- kötés, kovalens-ionos kötés - végülis Coulomb-erők) szerepelhetnek.

Ennek megértését reméljük a biológia-kémia-fizika- informatika-matematika új életétől, amelyben a "nano" az egyik kulcs-, de legalábbis főszereplő.

Gyulai József, MTA MFA