E meghatározásnál árnyaltabb képet ad a nanotechnológiáról, összetettségérõl, jelenének egyes eredményeirõl és valószínûsíthetõ fejlõdési irányairól a Népszava, Szép szó melléklet 2000.03.11-én megjelent Nanoforradalom: a természet ajándéka, avagy biliárd az atomokkal és a DNS-sel címû cikk. (Szerzõ: Dr Biró László Péter)
Valójában nem egy egészen kicsi forradalomról lesz szó, hanem az egészen parányi dolgok forradalmáról. A nanotechnológia a megfoghatatlanul parányi dolgok elõállításával foglalkozik. Mielõtt elmélyednénk a tudományos vagy technikai részletekben, érdemes megemlíteni, hogy ez év január 21-én az Egyesült Államokban bejelentették: a Huszonegyedik Századi Kutatási Alapból (összesen 2,8 milliárd dollár áll rendelkezésére) 497 millió dollárt a most elindított Nemzeti Nanotechnológia Kezdeményezésre fordítanak.
Az elmúlt 50 évben - lásd a számítógép méretének csökkenését - az elképesztõ zsugorodás az elmúlt években kifejlesztett és ipari alkalmazássá vált mikrotechnológiának köszönhetõ. De hol kezdõdik a nanotechnológia? A mikrotechnológiánál tízszer-százszor kisebb méretekben, a molekulák és atomok mérettartományában. Egy milliméteren ezer darab egy mikron vastagságú szál helyezhetõ el, azaz egy átlagos hajszálat körülbelül 50 darab, egymikronos átmérõjû részre "hasíthatna" egy biztos kezû "szõrszálhasogató". A betegségeink jelentõs hányadát elõidézõ baktériumok jellemzõ méretei az 1-10 mikronos tartományba esnek. Ezt a méretet azért érdemes megjegyezni, mert a baktériumok többé-kevésbé "szabadon" közlekednek az élõlények testében.
Ez az állítás fokozottan igaz a mikronnál kisebb objektumokra, az úgynevezett nanoobjektumokra. Egy nanométer ezerszer kisebb, mint a mikron, azaz egy baktérium 1000-10 000 egy nanométeres szeletre szeletelhetõ. A nanotechnológia, olyan technológiák gyûjtõfogalma, amelyeknek végtermékének jellemzõ méretei az 1-100 nanométeres tartományban vannak.
Az elmúló század utolsó évtizedében következett be a fizikában, a kémiában, a biológiában és fõleg ezek határterületein a figyelem fordulása a nanoméretû objektumok felé. A XX. század második felét sok tekintetben a gigantizmus jellemezte a társadalomban és a tudományokban egyaránt, ám sok gigantikus alkotásról kiderült: az nem feltétlenül a legelõnyösebb megvalósítási forma. Gyakran a kicsi, egyedire szabható megoldás hatékonyabb, hajlékonyabb, és kevésbé terheli meg a környezetet. Viszont ahhoz, hogy például, egy narancsméretû mûhold elláthassa sok száz kilós elõdje feladatait, egészen új technológiákra lesz szükség.
A forradalom kiváltó okai többrétûek. Igen fontos lépés volt a nanométeres vagy annál kisebb(!) tárgyakat az ember számára láthatóvá varázsoló eszközök megjelenése. Egyrészt a már klasszikusnak számító elektronmikroszkópiát (1933-ban fedezte fel E. Ruska) sikerült arra a szintre tökéletesíteni, ahol képes rutinszerûen feloldani a nanométeres részleteket.
Másrészt svájci fizikusok 1981-ben a fénymikroszkóptól (mikronos felbontás) és az elektronmikroszkóptól (nanométeres felbontás) teljesen eltérõ elven mûködõ, új mikroszkópcsalád elsõ tagját fejlesztették ki: az alagútmikroszkópot. Ez képes az atomi méretû részletek (a nanométer tizedrésze) felbontására is. Segítségével elõször "pillantott meg" az ember atomokat, és megvizsgálhatta egy szabályos atomi elrendezõdésben (kristályban) egyetlen atom hiánya által elõidézett változásokat! Binning és Rohrer 1986-ban Nobel-díjat kaptak a felfedezésükért.
Az alagútmikroszkóp a fény-, és elektronmikroszkóptól eltérõen nem átvilágítja a vizsgált mintát valamilyen sugárral, hanem egy nagyon hegyes, ideális esetben egyetlen atomban végzõdõ szondával igen közelrõl, mintegy nanométer távolságból "letapogatja" a minta felületét, valahogy úgy, ahogyan a vakok olvassák a Braille-írást. A szonda csúcsán elhelyezkedõ atom a mintával való kölcsönhatása alapján "érzékeli", hogy abban a pontban, amely felett éppen áthalad, található atom vagy sem. Ezt az információt egy számítógépnek továbbítja, amely a mért pontokból összerakja a minta úgynevezett domborzati képét.
Az alagútmikroszkóp nemcsak arra alkalmas, hogy segítségével nézegessük az atomokat, "rakosgatni" is lehet vele. A Berlini Szabadegyetem kutatói egyetlen szén-monoxid-molekulából álló "pontokból" írták fel egy rézkristály felületére az idei évet jelölõ számot. A Cornell Egyetem kutatói az alagútmikroszkóppal atomonként rakosgattak össze molekulákat. Természetesen ez nagyon rossz hatásfokú "gyártás". Még az alig néhány atomból összerakott molekula is rengeteg pénzbe kerül(ne).
Jogos a kérdés, mennyivel több akkor ez, mint tudósok költséges játszadozása? A választ egy a mindennapi élethez közelebb álló példa adhatja meg: a pár forintos mûanyag palack fröccsöntéséhez használt, precízen megmunkált matrica ára a palackénak sokszorosa. Az atomonként "összelegózott" molekula méretû szerkezet szükség szerint megsokszorozhatóvá válhat, ha ellessük annak a folyamatnak a titkait, ahogyan egy vírus rá tudja kényszeríteni a sejtet, hogy megsokszorozza a vírust. Azaz, elég, ha egyetlen mintadarabot rakosgattunk össze atomonként, ez lehet a "sorozatgyártásnak" hatékonyabb és olcsóbb útja.
Az alagútmikroszkóp szondája - egy hegyes tû, amely szerencsés esetben egyetlen atomban végzõdik - olyan híd, amely összeköti a mi kézzelfogható világunkat a meg- és felfoghatatlanul parányi méretek világával. Ugyanakkor "szerszám" is, amivel atomokat lehet "megfogni" és "lökdösni". Hátránya, hogy roppant sérülékeny, mert a csúcson "gubbasztó" utolsó atom könnyen úgy dönthet, hogy "nyugalmasabb" helyre vándorol. Egy stabilabb hegyû "nanoceruza" kellene ahhoz, hogy atomi méretekben írjunk az alagútmikroszkóppal. A problémára van megoldás, mégpedig a nanovilág egy újabb képviselõje: a szén nanocsõ, amelyet az alagútmikroszkóp tûjének végére "szerelhetünk".
A szén nanocsõ annyiban különbözik egy közönséges csõtõl, hogy csak szénatomokból épül fel, falának vastagsága egyetlen atom "vastagsága" és a csõ jellemzõ átmérõje egy nanométer. A nanocsõ a természet ajándéka, csak fel kellett fedezni. Ez 1991-ben meg is történt. Iijima japán kutató a fullerén - a tiszta szénbõl álló, egy nanométer átmérõjû, focilabda-szerû molekula (kémiai Nobel-díj 1996) - elõállításának folyamatában keletkezett koromszerû anyag vizsgálata során fedezte fel a szén nanocsöveket. Azóta kiderült, hogy a nanocsöveknek különleges elektromos és mechanikai tulajdonságaik vannak, lehetséges alkalmazásaik az egészen parányitól, a nanoelektronikától, az egészen gigantikusig, az ûrliftig terjednek. Ha csak nagyságrendi becslésbe bocsátkozunk, akkor is valószínûnek látszik, hogy a nanoelektronika tíztõl százezerig terjedõ tartományban zsugoríthatja számítógépeinket és egyéb elektronikus eszközeinket.
Nehéz eldönteni, hogy az ûrlift gondolata hol fogalmazódott meg hamarabb: a tudomány tervezõasztalán vagy a tudományos-fantasztikus irodalom lapjain. Az alapgondolat egyszerû és vonzó. Ugyanúgy, ahogyan például a huszonhetedik emeletre nem rakétával, hanem felvonóval közlekedünk, mert így kényelmesebb és gazdaságosabb, a Föld körüli, úgynevezett geostacionárius pályára, ahol a távközlési mûholdak is keringenek, fel lehetne jutni egy olyan felvonóval, amelynek felsõ, érkezési állomása geostacionárius pályán keringõ ûrállomás. Persze, ehhez egy hosszú, 36 ezer km hosszúságú, és igen erõs "drótkötélre" lenne szükség. (A felvonó kötelének elsõsorban a saját súlyát kellene elbírnia, a hasznos teherrõl nem is szólva.) A "klasszikus" anyagok közül egyedül a gyémánt lenne képes erre. A második jelölt már a nanotechnológia származéka, az "újszülött" nanocsõ, amelynek szilárdsága meghaladja a gyémántét.
Az ûrlift ötletének mérnöki változata Jurij Arcutanov szentpétervári mérnöktõl származik, míg fantasztikus változatát a neves sci-fi szerzõ Arthur C. Clarke alkalmazta két regényében is, az Éden szökõkútjaiban, valamint a 3001 végsõ ûrodüsszeiában. A NASA komolyan vette az ötletet, mégpedig annyira, hogy két kísérletet is végrehajtottak Föld körül keringõ ûrsiklóból - egyelõre hagyományos kábelen - kibocsátott súlyokkal. A második volt sikeresebb, 1996-ban sikerült egy 21 kilométeres kábelre rögzített súlyt, a kábel teljes hosszában kibocsátani, a visszacsévéléskor azonban egy mûszaki hiba miatt a kábel elszakadt. A NASA nemcsak különleges kábelt, de nanogépeket is tervez építeni szén nanocsövekre alapozva. Az Ames kutatóközpontban szén nanocsövekbõl készült nanogépek alkatrészeit tervezgetik.
Láttuk eddig, hogy a nanotechnológia forradalmasítja azt, ahogyan kezeljük az anyagot, utat nyithat a csillagok felé, de mit hoz, hozhat azoknak, akiket nem vonzanak a csillagok vagy akiknek már a mai számítógépekbõl is elegük van, akik nem akarnak atomokkal "biliárdozni"? Bár erre ritkán szoktunk gondolni, mi magunk is atomokból épülünk fel. Mi több, az ember "tervrajza" és "gyártási utasítása" is molekuláris szinten van kódolva a DNS-ben. Azt is hajlamosak vagyunk elfelejteni, hogy változatlannak érzett testünk atomjai, átlagosan szólva, havonta kicserélõdnek. A cserélõdés a gyártási utasításnak megfelelõen zajlik. Persze, néhány évtizednyi idõ után hibák is becsúsznak a másolás folyamatába, ezt egyszerûbben úgy mondjuk: öregszünk.
Sajnos, a molekuláris szinten bekövetkezõ "helyesírási hibákat" sem szikével, sem gyógyszerekkel, sem csodaszerekkel nem tudjuk korrigálni. Hacsak... nem állnak rendelkezésünkre olyan nanogépek, amelyek képesek olvasni az eredeti tervet, és atomonként korrigálni a "helyesírási hibákat", nyilván, testen és sejten belülrõl. Ez a gondolatmenet talán nem is annyira fantasztikus, mint amennyire annak tûnik elsõ látásra. Minden idõk legnagyobb biológiai programja, a Humán Genom Program az emberi genetikai kód teljes "megfejtését" tûzte ki célul. A mintegy 15 éve indított program a végéhez közeledik. Ez azt jelenti, rövidesen olvasni tudjuk majd a "tervet". A következõ lépés a megfelelõ "olvasó- és javítógép" megalkotása lesz. Nyilván, ez nem lesz egyszerû. Valószínûleg elõbb könnyebben megvalósítható feladatok célul tûzésére kerül majd sor, mint például a gyógyszerek irányított célba juttatása az emberi testben, olyan nanohordozókkal, amelyek a hatóanyagot csak a megcélzott területen szabadítják fel egy testen kívülrõl érkezõ parancsra.
Egy fullerén molekulában - ez egy 60 darab szénatomból felépülõ, egy nanométer átmérõjû "focilabda" - biztonságosan tárolhatók olyan nagy reakcióképességû atomok is, mint az alkáli fémek vagy a nitrogén atom. Ismerjük már a magasabb rendû fulleréneket, amelyek nem 60, hanem 84, 240 vagy még több szénatomból épülnek fel. Ennek megfelelõen a belsejükben található "üreg" is nagyobb, befogadhat bonyolultabb molekulákat is. Tágabb értelemben azt is mondhatjuk: a technológia arra tanít meg, hogyan állítsunk elõ bizonyos elõre megfogalmazott szabályok szerint - a terv szerint - atomi elrendezõdéseket. A "klasszikus" technológiák csak atomok csillagászati számokban kifejezhetõ sokaságát tudják kezelni egy-egy lépésben, ettõl válik "megfoghatóvá" a munkadarab a makroszkopikus világban. Ha "darabosan" is, de igen bonyolult atomi elrendezõdéseket állítunk elõ.
Például, egy mûködõ autó vagy számítógép nagyon sokféle atom, jól meghatározott formával és tulajdonságokkal rendelkezõ alkatrészekbe való rendezése nyomán jön létre. Az autó acélját ércként bányászták, kohókban olvasztották, hengermûvekben formázták, forgácsolták, hogy formát adjanak neki, majd hõkezelték és a helyére szerelték. A számítógép mikrochipjét homokként gyûjtötték össze, kémiai eszközökkel visszanyerték belõle a szilíciumot, majd forró kemencékben egyetlen kristállyá kényszerítették az anyagot. Szeletelték, csiszolták, "fényceruzával" mikroszkopikus méretû, bonyolult mintázatot írtak rá, majd gondosan ellenõrzött mennyiségû idegen atomot "csempésztek" bele, hogy helyileg megváltoztassák tulajdonságait. Végül darabkákra vágták, hajszálnyi vezetékeket forrasztottak rá, tokba zárták, és belehelyezték a számára kialakított foglalatba abban a számítógépben, amelyen most ezeket a mondatokat írom.
Mindez elvégezhetõ lehet úgy is, hogy okos nanogépek egyenesen a nyersanyagból válogatják ki a szükséges atomokat és rakják össze a mikroprocesszort vagy autóalkatrészt, sokkal kevesebb energia befektetetésével, a környezetet sokkal kevésbé megterhelõ módon. Persze, ha már atomokkal tudunk "legózni", korántsem biztos, hogy ugyanazt a mikrochipet akarjuk majd összerakni, amelyet makroszkopikus technológiánkkal állítunk elõ. Valószínûleg találunk majd sokkal hatékonyabb megoldásokat is. Azt mondhatjuk: a klasszikus technológiák úgy viszonyulnak a nanotechnológiához, mint a Mount Rushmore oldalába faragott amerikai elnökök feje viszonyul a rizsszemre vésett haikuhoz. Ugyanakkor a XIX. századból a XX.-ba áthúzódott ipari forradalom által az emberek életkörülményeiben elõidézett változások valószínûleg eltörpülnek majd azokhoz a változásokhoz mérten, amelyeket a nanotechnológia és származékai idéznek majd elõ a XXI. században. Valóban forradalom elõtt állunk, a nanotechnológia forradalma elõtt.
http://supernova.akg.hu/bolygo/ds1/nano1.htm
http://www.sulinet.hu/eletestudomany/archiv/ Élet és Tudomány: 2000/4 és a 2001/13 szám.
http://www.iap.tuwien.ac.at