A természet rossz mérnök, de sok ideje volt

"Önnek műszaki végzettsége van?"

"Bölcsészkaron tanultam" – válaszolom ma már másodszor, és másodszor látom ugyanazt a kétségbeesett arcot. Az MTA MFA Nanotechnológiai főosztályán [1] vagyok, Csillebércen, a természet közepén, fegyveres őrökkel védett falak mögött. Velem szemben Márk Géza István, az osztály munkatársa, egyike azoknak a kutatóknak, akik a szűkös keretek és a bürokratikus nyomás ellenére is Magyarországon maradtak, hogy itthon folytassanak nanotechnológiai kutatásokat.

Durva pech

Másfél órával korábban még az intézet korábbi vezetője, Gyulai József Akadémikus beszélt az épületben folyó kutatásokról. Elmúlt hetven, vallja be, hatvannak ha néztem volna. "A fotólitográfia fiatalon tart" – mondja. A westernövet viselő kutató mesélés közben, a mondatok végén gyakran harapja el, hogy "ugye?", vagy hogy "jó?" – ha nem tudnám, hogy professzor, ezzel akkor is leleplezné magát.

A beszélgetés elején megtudom, hogy egy óriási balszerencse is hozzájárult ahhoz, hogy Magyarország kimaradt a mikroelektronikai forradalomból. A rendszerváltás előtt készült el az az újpesti gyár, ami aztán pár évvel később leégett, de a biztosítótól kapott óriási pénzt nem a szakmába táplálták vissza. Gyulai szerint ez az üzem megfelelt a kor elvárásainak, és ha épségben átvészeli a rendszerváltás és a privatizáció éveit, a magyar mikroelektronikai ipar alapjául szolgálhatott volna. "Kelet-Németországban volt egy hasonló, azt megvette a Motorola, és azóta már háromszor újraépítette" – meséli a szakember.

A tűzeset óta nincsen Magyarországon ipari méretű tisztaszoba, pedig ez elengedhetetlen lenne a csipek gyártásához. A csillebérci központban ugyan még van egy nagy tisztaságú helyiség, ebben viszont elsősorban kísérleteket folytatnak, nem gyártanak. A pár száz négyzetméteres szoba fenntartása is vagy húszmillió forintba kerül évente, mondja Gyulai, hiszen egy-két mikronos porszemcséknél nagyobb részecskék nem juthatnak be, mert az már károsítaná a munkát. Külön beléptetőrendszer van, a kutatóknak egy telefonfülkeszerű dobozba kell állniuk, felülről tiszta levegőt fújnak a munkaruhára, alul egy pormérő figyeli, hogy mennyi porszem szakad le az öltözetről. A szakember csak akkor léphet a helyiségbe, ha már kellően tiszta. Drága az építés is, a szoba méreténél kétszer nagyobb kiszolgálórészleget kell felhúzni, ráadásul a váz elkészülte után hónapokig tisztítják a szobát, hogy az kellően pormentes legyen.

Komolyabb gyártás jelenleg elképzelhetetlen Magyarországon, mert annak túlságosan nagy lenne a költségvonzata: egy 65 nanométeres fotólitográfiás gép egymilliárd forintba kerül, egy gazdaságos gyár felépítése legalább 600 milliárd forintba kerülne a professzor szerint. Éppen ezért a hazai kutatók úgy döntöttek, nem versenyeznek külföldi társaikkal a nanométeres elektronikai csatában: ha nem dolgoznak egy mikron alatt, nem emelkednek az egekbe a költségek. Ez a méret meg a szenzoroké, így elsősorban érzékelők fejlesztésén dolgoznak Csillebércen.

Légzsákokkal kezdtek

Az első érzékelőket a hetvenes években kezdték készíteni, ezek a gépkocsik légzsákját hozták működésbe. A néhány mikronos nyelvecskék elhajlását kellett pontosan érzékelni, de sokat kellett dolgozni a szenzorokon, hogy azok ne legyenek se túl szenzitívek, se túl érzéketlenek. Végül sikerült úgy beállítani őket, hogy csak 5-8 g-s lassulás után hozzák működésbe a légzsákokat. A technológia bebizonyította, hogy megbízhatóbb, mint a rugós vasszerkezetek.

Később inkább a gázérzékelők irányába mozdultak el, ezek a kétszázszor kétszáz mikronos szerkezetek viszonylag nagy biztonsággal képesek megmondani, hogy milyen anyag került a levegőbe. A szenzorok mellett elhelyezett fűtőszálakat folyamatosan 600-700 Celsius-fokon tartják. Ha valamilyen éghető molekula kerül a szerkezet hatótávolságába, az begyullad, a szenzorok meg az égéshőből megállapítják, hogy TNT, esetleg valamilyen kábítószer közelébe kerültek. Gyulai József szerint ezek az érzékelők még nem helyettesíthetik a repülőtéren alkalmazott kutyákat, de már be tudnak segíteni az állatoknak.

Mikro pellisztor gázérzékelő. A középső négyzet mérete 0.1 mm. Az alsó spirál a fűtő-, a felső az érzékelő elektróda

A szenzorokat viszont azóta tovább tökéletesítették. A szén nanocsövek képessé tehetők arra, hogy kimutassák a gázmolekulákat: ha valamilyen vegyület a csövekre tapad, akkor megváltozik a vezetőképességük. A két rendszer kiegészíti egymást, segítségükkel megmondható, hogy milyen anyag került a levegőbe, és hogy hány százalékos a koncentráció. De segíthet a borásznak is, "persze egyelőre csak ha náthás", mondja Gyulai nevetve, aki szerint a tökéletesítés után a szerkezet képes lesz megmondani, hogy milyen borba mártották.

Szén nanocsöves gázérzékelő, csip tokozásban	Szén nanocső „erdő” növesztés, gázérzékelési alkalmazáshoz

Aztán egy nap úgy döntött a liechtensteini cég, hogy csődbe viszi a leányvállalatot, felépít egy új üzemet, és ott folytatja a munkát, de már nem fizet több jogdíjat. Ekkor ügyvédet fogadtak, aki közölte, hogy 120 ezer svájci frankból el tudja indítani a pert, és öt éven belül biztosan sikerre tudja vinni az ügyet. Addig azonban túlságosan sokba került volna az eljárás, így az intézet továbblépett, és egy újabb szerkezetet készített, ami sokkal finomabb munkára képes, mint elődje."Nem nyavalyogni kell, hanem dolgozni, mert a világ ocsmány" – mondja Gyulai.

A jövő processzorai

A nanotechnológiai kutatások elindításához egy kedvező véletlen is hozzásegített. Hozzájutottak némi gépidőhöz egy orosz részecskegyorsítóban, és azon kezdtek el kísérletezni. Észrevették, hogy ha grafitot sugároznak be, akkor „szőrszálak” nőnek rá – ezek voltak a szén nanocsövek.

A szén nanocsövekkel már több mint tíz éve foglalkozik a Biró László Péter főosztályvezető vezette kutatócsoport Csillebércen. A kutatási területről Márk Géza István mesélt nekem, aki a csoport tagja annak megalakulásától kezdve. Szűkebb szakterülete a nanoelektroszerkezetek elméleti, számítógépes modellezése. Emlékeztet Moore törvényére – ő a hatvanas években azt jósolta, hogy az integrált áramkörök komplexitása exponenciálisan növekedni fog. Akkor úgy vélte, egy évtizeden keresztül tarható lesz az alapelv, de az négy évtizede nem változott, és egy évtizedig még biztosan tartható lesz.

Ionokkal bombázott grafit felületén képződött szén nanocsövek. A nanocsövek a kráterből nőttek ki .

Manapság már olyan problémákkal kell szembenézni, amikre eleinte nem is gondoltak. Ahogy gyarapodtak az áramkörök, úgy csökkent a méretük, és úgy lett vékonyabb a köztük található szigetelőréteg is. A közelmúltban az iparág eljutott odáig, hogy a szigetelők már nem tudták ellátni feladatukat, a kvantummechanikának engedve az elektron átjutott a vékonyka védőrétegeken. Ezért kellett kidolgozni a nagy dielektromos együtthatójú (HK), bonyolultabb szigetelőket, az Intel már ezeket alkalmazza az idén megjelenő, 45 nanométeres csíkszélességgel gyártott Penryn processzoraihoz. A szakember szerint 10 nanométeres gyártástechnológiáig megfelelő szigetelést nyújthat a HK-anyag.

A csillebérci központban egyebek között szén nanocsövekkel is kísérleteznek. "Az emberiség civilizációja kezdete óta úgy hozott létre újat, hogy levágta a felesleget" – mondja Márk Géza István. Mint Michelangelo a Dávid szoborral: fogott egy nagy kőtömböt, és kifaragta belőle a műalkotást. Egy integrált áramkör elkészítése során a végtermék tömegének a hétszázszorosa megy a kukába, az autógyártásban ez az arány egy a kettőhöz. A nanotechnológia lehetővé tenné, hogy ne rombolással, hanem építéssel hozzunk létre újat, jelentős felesleg nélkül. "A cél az, hogy atomonként legózzuk össze, amire szükségünk van" – mondja a szakember.

Manapság a kutatók már képesek arra, hogy atomonként kirakjanak formákat, vagy akár betűket, ám ez még csak laboratóriumi körülmények között megy. De a nagy lehetőség a grafitban van. Ez a jól vezető anyag három angströmnyi távolságban elhelyezkedő atomi síkokból épül fel (az angström az átlagos atomtávolság, ha valamit megérintünk, az ujjunk és a felület között is van legalább egy-két angströmnyi távolság. Valójában tehát még semmit sem fogtunk meg, csak az atomok közötti kölcsönhatást éreztük). A grafitceruzával azért tudunk írni, mert az atomi síkok közötti vonzás nem túl erős, a grafit egyik része tehát a papíron marad.

Ha ezeket a síkokat összetekerjük, henger lesz belőlük, melynek a hosszúsága néhány mikron, átmérője egy nanométer, tíz angsröm. És mellesleg ezt hívják szén nanocsőnek.

A véletlen szerepe

A létrehozott nanocsövek atomi mintázata és ebből következően tulajdonságaik meglehetősen változatosak. "Ezt azonban nem lehet előre tervezni" – mondja Márk Géza István. A kutatók készítenek egy rakás nanocsövet, azok közt lesz ilyen is, olyan is. "Aki először lesz képes az elvárásoknak megfelelően legyártani a mintázatot, az valószínűleg Nobel-díjat kap" – érzékelteti a kutató, hogy ez ma még milyen nehéz feladatnak számít.

„Nanodrót”. A belső, 0.67 nm átmérújű nanocső a vezető, a külső, 1.02 nm átmérőjű nanocső a szigetelő cső – mivel a két cső feltekerése („mintázata”) különbözik.

A szén nanocsövekkel egészen újfajta processzorok hozhatók létre. Manapság síkban rendeződnek el az áramkörök, ezek csak pár mikron magasak, és néhány négyzetmilliméter az alapterületük. Ezzel szemben az agy a tér mindhárom dimenzióját kihasználja, és ha az integrált áramköröket is térbeli szerkezetben építik fel, akkor kisebb helyen nagyságrendekkel jobb teljesítményt lehet elérni. Márk Géza István szerint az ilyen csipek fontosak lehetnek az exponenciális fenntarthatóság szempontjából.

Márpedig a szén nanocsövekbe lehet kanyart is rakni, ha elég ügyes az ember. A grafit sík hatszögekből épül fel, de ha ötszögek és hétszögek is kerülnek bele, azok mentén már meggörbül a cső, sőt, célirányos elrendezésükkel bele lehet tenni T, esetleg Y-elágazást a csövekbe. Az a feladat, hogy megfelelő alakú szerkezeteket növesszenek. Ezt úgy oldják meg, hogy több ezer fokon elgőzölgetik a szenet, ezt egy nanométeres csatornába eresztik, ahol a szén felveszi a csatorna alakját kihűlés közben.

Nanocső „könyök” modellje

A Nanotechnológiai főosztályon funkcionalizált nanocsöveket is vizsgálnak, ezek segítségével egészen speciális anyagokat hozhatnak létre. A funkcionalizálás azt jelenti, hogy különféle molekulákat csatolnak kémiailag a nanocső felületéhez, ezáltal a nanocsövek jól kötődnek különféle hordozó anyagokhoz, úgynevezett kompozit anyagokat lehet létrehozni. Képesek például olyan vezető műanyagot készíteni, ami szigeteli az elektromágneses hullámokat. "Ez azért fontos, mert a mai technológiákkal rekonstruálni lehet a monitoron megjelenő képet az utcán" – mondja a kutató, és fejével kiint az ablakon. Az árulkodó elektromágneses hullámokat befogva és értelmezve pontosan ugyanazt láthatja kijelzőjén az utánunk kémkedő idegen, mint amit mi nézünk a monitoron. A festékbe kevert szén nanocsövek viszont elnyelik ezeket a hullámokat, ahogy a repülőkre is kenhető olyan bevonat, hogy azt ne lássa a radar. Így nem kell annyit dolgozni a formán, gyorsabb, a mai lopakodóknál jobb manőverező-képességű gépeket lehet gyártani.

Nanocső „Y” elágazás pásztázó alagútmikroszkópos (STM) képe (MTA MFA)

A biofotonikus kutatócsoportban Biró P. László arcára ül ki az az aggodalom a bölcsész szó hallatán, amit már kétszer láttam ma. Azért megpróbálja úgy elmagyarázni kutatási területét, hogy azt még én is megértsem. A szakember szerint az ember a legjobban működő nanogyár, ha mintát akarunk, elég magunkba, vagy bármelyik élőlénybe tekinteni. "A természet korántsem kiváló mérnök, de sok ideje volt a kísérletezgetésre" – fedi fel előttem Biró, hogy miért olyan tökéletesek az élőlényekben található szerkezetek.

Tartós színek

Sok más között két lepkefaj, a Cyanophrys remus és az Albulina metallica szárnyait vizsgálják a kutatók. A természetbúvárokat már régóta izgatta a kérdés, hogy mi okozza a lepkék szárnyain és más élőlényeken is gyakran látható csillogó, fémes színeket – hogy nem fémréteg, azt már korán kimutatták. Az 1920-as évek óta kezdték sejteni, hogy ezeket nem pigmentek hozzák létre, nem kémiai módszerrel nyelik el a fényt, hanem fizikai szerkezetüknek köszönhetően van olyan csillogó a színük, amilyen. Kiderült, hogy a szárnyon található nanoarchitektúrák periodicitása a 100 nanométer körüli tartományba kell essen, hogy a látható fény tartományában (350 – 700 nanométer) diffrakciós jelenséget okozzanak. Konyhanyelven ez azt jelenti, hogy 100 nanométeres méretek mellett befolyásolható egy anyag színe. Az ilyen kristályszerkezetet fotonikus kristálynak nevezik.

 

Click to enlarge (AVI animation)!

Az irideszcencia jelensége Morpho lepke szárnyán: a kék fémes csillogás megjelenése a megvilágítás irányától függően változik

 

Fontos megérteni, hogy a fény viselkedése attól függ, milyen anyaggal találkozik. A levegőnek például 1 a törésmutatója, ezért olyannak látjuk a tárgyakat, amilyenek. A víz törésmutatója már 1,3, ezért a benne pihenő kanál meglehetősen esetlenül fest. Azt, hogy egy önmagában színtelen anyag is létrehozhat színeket, egy, a víz felszínén lévő olajfolt is bizonyítja. Ha két különböző törésmutatójú szerkezetből felépített (kompozit) anyagba jut a fény, akkor bizonyos hullámhosszú hullámok nem tudnak terjedni, ezek visszaverődnek, és ez az, amit színként látunk. A Cyanophrys remus lepkefajnál például a kék szín az egyetlen, amit nem nyel el a nanoszerkezet, ezért látjuk azt kéknek.

A nanotechnológia segítségével létrehozott színezőanyag tartósabb, mint a hagyományos festék, ráadásul az ember is toleránsabb velük szemben, nem leszünk allergiásak tőlük.

De az allergiás reakcióktól megszabadító színezésen kívül másra is használható a fotonikus kristály, segítségével például el lehet hajlítani a fényt, így végső soron fénnyel működő processzorokat, fotonikus számítógépeket hozhatunk létre. A szakember szerint ezekben nagyobb sávszélességet lehet majd elérni, nem jelent majd problémát, ha a fénysugarak keresztezik egymást, és nem is lesznek olyan forrók a csipek. További nagy előnye az optikai processzornak, hogy érzéketlen az elektromágneses zavarokra.

Egyelőre azonban csak nagyon drágán lehet legyártani a fotonikus szerkezeteket, mert kétdimenziós minták (IC-k) készítésére fejlesztett eszközökkel akarnak háromdimenziós objektumokat létrehozni. A hazai intézetben egy olcsó eszköz fejlesztésén dolgoznak, tizedannyi pénzből, mint külföldi kollégáik. Az állami támogatások elapadni látszanak, a bruttó hazai termék egyre jelentéktelenebb hányadát fordítják kutatásfejlesztésre, pedig a hosszú távú gazdasági növekedés feltétele lehet a szektor támogatása.

A cikkben hivatkozott linkek:

• [1] http://www.nanotechnology.hu/