211service.com
Draden van Wonder
Het was het soort ontdekking dat maar eens in de paar decennia in de chemie gebeurt - als je veel geluk hebt. In 1985 maakten Richard E. Smalley en verschillende medewerkers van de Rice University een nog nooit eerder vertoonde vorm van koolstof. De rangschikking van koolstofatomen in elk molecuul leek op een kleine geodetische koepel, dus de onderzoekers noemden het materiaal buckminsterfullereen naar de architect die de vorm had gepopulariseerd. Met zijn netjes gestructureerde netwerk van atomen werd de buckyball al snel het postermolecuul voor nanotechnologie. Toen, in het begin van de jaren negentig, deden onderzoekers nog een verrassende ontdekking: je kon ook holle buizen maken van dezelfde koolstofstructuur. Koolstof nanobuisjes hadden vele malen de sterkte van staal, de elektrische geleidbaarheid van koper, en waren de diameter van een DNA-molecuul. Het waren, kortom, perfecte materialen voor het bouwen en bekabelen van de nanowereld.
Meer dan een decennium na zijn eerste ontdekking, lijkt Smalleys enthousiasme voor de nieuwe materialen niet te tanen. Vorig jaar was hij mede-oprichter van een bedrijf, Carbon Nanotechnologies, om de commerciële hoeveelheden nanobuisjes te maken die andere laboratoria in staat zullen stellen de technologie verder te ontwikkelen en toepassingen te ontwikkelen. Maar zijn voortdurende opwinding voor fullerenen (zoals de algemene categorie van deze op koolstof gebaseerde moleculen bekend is) gaat veel verder dan anticiperen op toekomstige technologische toepassingen. Smalley, opgeleid als spectroscopist, is sinds 1976 hoogleraar scheikunde aan Rice en is gefascineerd door de moleculen zelf. Bij het aanvaarden van de Nobelprijs voor scheikunde in 1996 voor onderzoek naar fullerenen, noemde Smalley de ontdekking een van de meest spirituele ervaringen die iemand van ons in het oorspronkelijke team van [onderzoekers] ooit heeft meegemaakt.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2001
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Het Center for Nanoscale Science and Technology, met een waarde van 33 miljoen dollar, dat Smalley in 1995 oprichtte en nu leidt, bevindt zich aan de rand van de Rice-campus in Houston als een getuigenis van het potentieel van fullerenen. Het aantal onderzoeksgroepen in het nanotech-centrum groeit zo snel dat Smalleys eigen laboratorium is verhuisd naar de derde verdieping van Rice's Space Science Center. Technology Review plaatsvervangend redacteur David Rotman bezocht Smalley onlangs om te vragen naar de toekomst van nanotechnologie en om te horen waarom de Nobelprijswinnaar nanobuisjes zo bijzonder vindt.
TR: Hoe heeft de toegenomen aandacht en financiering, zoals het nanotech-initiatief van president Clinton van $ 495 miljoen voor 2001, het gebied van nanotechnologie beïnvloed?
KLEINE: Dat de president erover praat, heeft wetenschappers en technologen aangemoedigd om nano in hun voorstellen te gaan opnemen. Ze weten wat het nieuwe modewoord is. Maar indrukwekkender voor mij is hoe dit idee voet aan de grond heeft gekregen bij mensen die wetenschappelijk bezig zijn. En ik heb niet het gevoel dat het een kunstmatige houding is. De kerndisciplines scheikunde en natuurkunde zijn enthousiast geworden over dit idee. Een deel daarvan was een reactie op de financiering. Maar ik denk dat er echt een algemene waardering is dat er hier echt iets is. De scheikunde en natuurkunde zijn nu zo ver gevorderd dat je kunt bedenken, en in sommige gevallen zelfs kunt bouwen en experimenten kunt doen op, [nano]structuren van voldoende complexiteit dat er iets nieuws gebeurt.
TR: Bestaat het gevaar dat nanotechnologie, net als veel andere modewoorden, haar werkelijke betekenis begint te verliezen?
KLEINE: Ik hou van het woord nanotechnologie. Ik vind het leuk omdat het voorvoegsel nano garandeert dat het decennia lang fundamentele wetenschap zal zijn; de technologie zegt dat het engineering is, iets waar je bij betrokken bent, niet alleen omdat je geïnteresseerd bent in hoe de natuur werkt, maar omdat het iets zal produceren dat een brede impact heeft. Als je die twee dingen in één woord samenvoegt, ontstaat er een spanning. Nu onze disciplines, met name scheikunde en natuurkunde, volwassen zijn geworden, hebben we nu te maken met zaken op een heel fundamenteel niveau die wel van praktisch belang zijn.
TR: Als je kijkt naar het verschillende werk dat gaande is in nanotechnologie, wat maakt je dan het meest enthousiast?
KLEINE: Ik moet toegeven dat ik gewoon geobsedeerd ben door koolstofnanobuisjes. Het is moeilijk voor mij om meer dan 10 minuten te gaan zonder erover te praten. Ik denk dat ze het coolste zijn dat er is, en ik denk dat ze de grootste waarschijnlijke impact zullen hebben. Maar als ik me daar even van losmaak, geloof ik dat onderzoek naar wat ik de wet/dry-interface noem intellectueel het meest intrigerend voor mij is. Het kan zijn dat we over 20 jaar daar terugkijken en zeggen dat we enorme vooruitgang hebben geboekt. Wat ik de natte kant van nanotechnologie noem, is de machinerie van het cellulaire leven. Naarmate we leren om deze natuurlijke machinerie te koppelen aan anorganische, elektromechanische structuren en systemen die zijn ontworpen op nanometerschaal (de droge kant van nanotechnologie), zullen enorme nieuwe grenzen worden geopend, zowel in de fundamentele wetenschap als in de praktische technologie.
Dat gezegd hebbende, kan ik terugkomen en zeggen dat nanobuisjes enorm belangrijk zullen zijn voor de wet/dry-interface, omdat ze iets nieuws in het spel brengen. Organische moleculen [koolstofhoudende moleculen die de basis vormen van levende wezens] zijn enorm veelzijdig, maar er zijn enkele dingen die ze niet goed kunnen. In feite zijn er enkele dingen die biologische systemen nog niet hebben kunnen achterhalen, zelfs niet na meer dan vier miljard jaar. Een ding is het geleiden van elektriciteit zoals metalen dat doen. Anderen zijn thermische geleiding en sterkte en taaiheid. Botten zijn erg indrukwekkend, net als tanden. Maar ze zijn niet van staal, laat staan wat nanobuisjes kunnen doen met sterkte en geleidbaarheid. Dus, in staat zijn om een koolstofnanobuisje te nemen en het in het rijk van de moleculaire biologie te krijgen - of het nu echt is opgelost en een van de spelers is, of als een sonde, of als onderdeel van een implantaat, als onderdeel van een nieuw membraan - het is echt iets geheel nieuws op tafel brengen in de biologie. Bijna een buitenaards iets.
TR: Een buitenaards iets omdat...
KLEINE: Omdat het stroom geleidt. Het brengt die eigenschappen die je niet kunt krijgen van andere organische moleculen. En het is nog steeds koolstof, dus het heeft organische chemie. Hier is een object dat, in een overtreffende trap, de aspecten heeft die we het meest centraal stellen in de anorganische wereld: hardheid, taaiheid, geweldige sterkte, thermische en elektrische geleidbaarheid. Dingen die je gewoon niet kunt doen met been en hout. Maar het is gemaakt van koolstof. Het is iets dat het spel op hetzelfde niveau van perfectie speelt als moleculen en leven.
Er is elektriciteit in biologische systemen, maar dat komt door ionen die over membranen bewegen. Zenuwen werken door elektrische geleiding; elektrische paling heeft zeker elektriciteit. Maar dat soort elektriciteit is anders dan het soort dat in draden en huizen loopt, rond computers loopt, radio's laat werken. Het is niet het soort elektriciteit dat te maken heeft met elektronen die op coherente wijze over lange afstanden bewegen met weinig verlies. Dat is de eigenschap van metalen, van anorganische verbindingen.
TR: En nu kunnen nanobuisjes dit soort elektriciteit naar biologische systemen brengen?
KLEINE: Ja. Ze brengen de moleculaire biologie, de dingen die 's nachts in een cel tegen het lijf lopen, een nieuw stuk speelgoed om mee te spelen - iets dat elektriciteit geleidt.
TR: Wat wordt het nieuwe speelgoed?
KLEINE: Blijf ons volgen voor het volgende millennium en we zullen zien. Ik zou enkele voorbeelden kunnen geven, maar die lijken nogal voetganger en ad hoc. Totdat je zoiets als dit aan de mix toevoegt, is het onmogelijk dat de ongelooflijke machinerie van levende cellen iets kan bouwen dat elektriciteit kan geleiden met de efficiëntie van metalen. Hier hebben we een [organisch] molecuul dat dat kan. Ik geloof niet dat iemand slim genoeg is om de enorme implicaties daarvan te voorspellen. Maar God weet hoeveel jaar het zal duren voordat nanobuisjes deel uitmaken van levende cellen. Daarvoor kunnen we nanobuisjes gebruiken als sondes in cellen, als sondes om de structuur van moleculen te detecteren, om DNA te sequensen. Dit zijn prachtige nieuwe draden om dat te doen.
TR: Aan welke projecten werken jij en je groep nu?
KLEINE: De grootste focus is het maken van nanobuisjes. Dat is waar dit bedrijf in eerste instantie over gaat, de kraan opendraaien zodat onderzoekers over de hele wereld toegang hebben tot de meest onberispelijke kwaliteit buizen die we mogelijk in grote hoeveelheden tegen lage kosten kunnen maken. We willen nanobuisjes beschikbaar maken tegen voldoende lage kosten om je fantasie de vrije loop te laten. Deze buizen zijn er in drie soorten: metalen [uitstekende elektrische geleiders] en twee soorten halfgeleiders. Ik wil ze zo efficiënt produceren dat ik een kilo van een bepaalde buis kan leveren.
KINDEREN : Dus u wilt nanobuisjes op grotere schaal beschikbaar maken. Andere groepen bekijken de nanobuisjes strikt vanuit het oogpunt van toepassingen. Wat zijn enkele van de interessante toepassingen waaraan ze werken?
KLEINE: In de nabije toekomst lijkt het erop dat één applicatie in [flat-panel] displays zal zijn. Een aantal bedrijven heeft al prototype-displays met nanobuisjes. Het zal me niet verbazen als je binnen een paar jaar displays met nanobuisjes op de markt ziet verschijnen.
Een ander gebied dat snel zal zijn, is als additieven in technische kunststoffen [gebruikt in structurele of hightech-toepassingen zoals computerbehuizingen]. U kunt zelfs bij zeer lage niveaus van nanobuisjes antistatisch gedrag veroorzaken en afscherming tegen EMI [elektromagnetische interferentie: dergelijke afscherming wordt gebruikt om laptops en andere draagbare elektronica te beschermen] op zeer gematigde niveaus. In tegenstelling tot al het andere dat u aan polymeren toevoegt om ze antistatisch te maken of voor EMI-afscherming, zal dit waarschijnlijk de taaiheid en sterkte van de technische kunststoffen vergroten. Ik verwacht ook dat je binnen een paar jaar in de handel verkrijgbare tips voor nanobuisjes zult vinden op atomic-force microscoopsondes. Gebruik in nanotech-gadgets in het algemeen zal naar verwachting de komende vijf jaar echt floreren.
Wat we graag zouden zien, is dat het bedrijf zich zo ontwikkelt dat er economische prikkels zijn om een groot [productie]proces op te bouwen en de prijs omlaag te krijgen. Op dit moment zijn de kosten van nanobuisjes ongeveer $ 500 per gram. Bereken de getallen. Dat is bijna $ 230.000 per pond. Na verloop van tijd zal dit spul als bulkgoed worden gemaakt, dichter bij $ 10 per pond of zelfs lager. Maar je moet een fabriek bouwen en de markt moet daar zijn. De snelheid waarmee het bedrijf zich ontwikkelt, is sterk afhankelijk van deze vroege markten.
TR: De hoop is dat naarmate je meer en betere materialen krijgt, de toepassingen zich zullen openen?
KLEINE: Dat is juist. En volgend jaar zal een echt keerpunt zijn, want ons proces zal de onderzoeksgemeenschap minimaal 10 kilogram opleveren. De totale productie van enkelwandige nanobuisjes van welke kwaliteit dan ook is tot nu toe waarschijnlijk minder dan een kilogram geweest.
TR: Natuurlijk, geen van die kortetermijntoepassingen maakt de enorme belofte van nanobuisjes echt waar, toch? Zoals optreden als elektrische geleider in een biologische omgeving?
KLEINE: En waar ik het eerder over had, was alleen op de nat / droog-interface. Dan kom je weer aan de droge kant. Er is een gekke rand van de wereld van nanobuizen waar we het nog niet over hebben gehad. In het komende jaar zal er in mijn laboratorium, en ik vermoed in velen over de hele wereld, een grote druk zijn om middelen te ontwikkelen voor het spinnen van continue vezels - macroscopische vezels - van nanobuisjes met een hoge mate van oriëntatie [de nanobuisjes zouden worden uitgelijnd als ongekookte spaghetti in een doos]. Ik denk dat dat gaat lukken, en dat het iets speciaals gaat worden.
In één richting zijn nanobuisjes het sterkste verdomde ding dat je ooit in het universum zult maken en zijn ze uitstekende elektrische geleiders; in de andere [loodrechte] richting zijn ze slap en is de elektrische geleidbaarheid vrij slecht. Dus in materialen waar je elektrische geleiding wilt, is het belangrijk hoe goed de nanobuisjes zijn uitgelijnd. Ik geloof dat het mogelijk zal zijn om continue vezels van nanobuisjes te maken in een efficiënt spinproces waarbij de buizen allemaal uitgelijnd zijn. Ik zou dat niet de gekke rand willen noemen; Ik denk dat het gaat gebeuren. Maar laten we het nu hebben over het echt waanzinnige uiterste. Wat als deze gesponnen vezels, in plaats van een micrometer lang, een kilometer lang waren?
TR: In theorie zou je nanobuisvezels van een kilometer lang kunnen maken?
KLEINE: In theorie kun je ze tot Alpha Centauri maken. Wat zou de sterkte van een lange vezel zijn? Je zou het sterkste verdomde ding hebben dat ooit in het universum is gemaakt. Kunnen we dat ooit maken? En wat zou het goed zijn? Als je het goedkoop en een continue lengte zou kunnen maken, zou je de langste hangbrug kunnen maken waar je ooit van hebt gehoord, liften in de ruimte. Maar buckycables zouden ook geweldige geleiders van elektriciteit zijn. Het is de logische vervanging voor alle stroomkabels ter wereld. Dat is aan de gekke rand, maar ik kan dat zeggen omdat ik er een voorstander van ben.
TR: Zoals u weet, is er een groeiende inspanning geweest om organische moleculen te gebruiken als kleine schakelaars in nano-elektronische apparaten ( zien Moleculaire Informatica , TR mei/juni 2000 ). Welke rol verwacht je dat nanobuisjes gaan spelen in moleculaire elektronica?
KLEINE: Op de lange termijn lijkt het erop dat ze een rol moeten spelen, omdat ze nano zijn en elektriciteit geleiden. Of ze het komende decennium wel of niet in nano-elektronische gadgets zullen spelen, ik denk niet dat iemand slim genoeg is om het te weten. In feite is niemand slim genoeg om te weten of er het komende decennium nano-elektronische gadgets zullen zijn. Maar de meeste mensen zijn het erover eens dat als je de elektrische geleider in nano-elektronica moet kiezen, het uiteindelijk een nanobuisje zal zijn. We moeten gewoon op de hoogte blijven om te zien hoe snel dat gebeurt.
TR: Voorlopig is zelfs zoiets eenvoudigs als een nanobuisje plaatsen waar je het wilt nog steeds een uitdaging, nietwaar?
KLEINE: We zijn echt kinderen, zelfs geen kinderen, baby's, als we begrijpen hoe nanobuisjes werken.
TR: Toch zat ik te denken hoe snel het gebied van nanotech is gegaan. Toen ik je een paar jaar geleden interviewde, hadden we het veel over de hype rondom nanotechnologie. Nu er steeds meer serieuze wetenschappers bij betrokken raken, lijkt het verder te gaan.
KLEINE: Dat was de belangrijkste factor, waarbij serieuze wetenschappers betrokken raakten die ver verwijderd zijn van nanobots [nanoschaalrobots komen voor in veel speculatieve visies op nanotech]. We hebben de taak om het veld te de-nanobotten nog niet helemaal voltooid. Maar het belangrijkste punt is dat nanotechnologie zo belangrijk is dat we niet willen dat het wordt geassocieerd met alleen nanobots. Of ze ooit kunnen gebeuren, is een andere kwestie, maar nanotechnologie heeft een zoveel bredere realiteit - en in zekere zin een veel interessantere.