Nanotech in cijfers

In zijn krappe hokje bij Nanomix, een nanotechnologiebedrijf in Emeryville, CA, aan de overkant van de baai van San Francisco, tuurt theoretisch fysicus Seung-Hoon Jhi naar een computermodel van een waterstofbrandstoftank en volgt hij zorgvuldig de beweging van individuele moleculen. Terwijl hij de temperatuur van een gesimuleerde plaat van boor- en stikstofatomen verhoogt van een ijskoude 50 Kelvin tot een iets minder kille 80 Kelvin, kijkt hij naar de reactie van een handvol waterstofmoleculen die op het oppervlak stippelen. Het boornitridevel golft, maar de waterstofmoleculen houden stand. Het is een bemoedigend teken in een virtueel experiment dat misschien net weken of maanden aan moeizaam experimenteel testen heeft bespaard in Nanomix's poging om efficiëntere waterstofopslagmaterialen voor brandstofcelauto's te ontwikkelen.

Het is natuurlijk cyberdromen. Maar Jhi en zijn Nanomix-collega's hebben zoveel vertrouwen in de juistheid van deze geautomatiseerde modellering, samengesteld uit nauwkeurige berekeningen van het gedrag van individuele atomen, dat ze de simulaties gebruiken om materialen te ontwerpen en te testen die nog nooit eerder zijn gemaakt - materialen waarvan de volgorde op nanometerschaal (een nanometer is een miljardste van een meter) kan eigenschappen produceren die nuttig zijn in toepassingen variërend van ultragevoelige sensoren tot platte beeldschermen tot onopvallende coatings voor oorlogsvliegtuigen. In de hal, op minder dan 15 meter van Jhi's hokje, zijn de experimentatoren van het bedrijf druk bezig in het laboratorium om de meest veelbelovende resultaten van de modellering te synthetiseren.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2002

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Hoewel Nanomix slechts een van de vele recente startups is die nanomaterialen willen exploiteren, gokt het bedrijf erop dat het een voorsprong heeft: de vaardigheid om zowel virtueel de materialen te ontwerpen - zonder ook maar een bekerglas te roeren - en dan naar het laboratorium te gaan en ze te maken . De medeoprichters - theoretische fysicus Marvin Cohen en experimenteel fysicus Alex Zettl, beiden van de University of California, Berkeley - werken al meer dan tien jaar samen aan een dergelijke alchemie. Nu hopen ze die expertise te gebruiken als basis voor een nanotech-bedrijf. Ons doel is om de eerste werkende nanocomponenten op de markt te krijgen, zegt Nanomix CEO Charles Janac.

Het ontwerpen van materialen op computers heeft industriële onderzoekers al meer dan een decennium in de verleiding gebracht. In theorie is het idee in ieder geval eenvoudig genoeg: met behulp van de regels van de kwantummechanica is het mogelijk om het gedrag te berekenen van de elektronen die rond een atoom wervelen. Met voldoende rekenkracht zou men dergelijke berekeningen moeten kunnen gebruiken om een ​​materiaal atoom voor atoom te ontwerpen, waarbij gewenste eigenschappen worden ingebouwd door het elektronische profiel aan te passen. Het probleem is dat de eigenschappen van materialen het resultaat zijn van de interacties van een groot aantal atomen. En zelfs de krachtigste supercomputers van vandaag worstelen met kwantumberekeningen met meer dan vijf- of zeshonderd atomen, waardoor het vermogen om nieuwe materialen te ontwerpen ernstig wordt beperkt.

Maar nanomaterialen, die vaak geïsoleerde moleculen zijn - of moleculen waarvan de eigenschappen voortkomen uit beperkte interacties - maken een veel gemakkelijker doelwit voor computers. In veel opzichten blijkt kwantummodellering inderdaad een ideale manier te zijn om de nanowereld te verkennen. De voorspellende kracht van nanomodellering, zegt James Tour, een chemicus en vooraanstaand nanotech-onderzoeker aan de Rice University in Houston, blijkt enorm te zijn.

Nanomix gelooft dat het juist deze voorspellende kracht is die het mogelijk maakt om de ontdekking van nanomaterialen te revolutioneren. Dankzij een voorsprong van zijn computersimulaties, bouwt het bedrijf, dat in 2000 begon, al kleine gassensoren die koolstofnanobuisjes gebruiken - moleculen van slechts enkele nanometers breed, met wanden van een atoom dik om gevaarlijke gassen te detecteren. Tegen het einde van volgend jaar is Nanomix van plan om deze op nanobuisjes gebaseerde sensoren te gaan verkopen om benzinedampen te detecteren die raffinaderijen, chemische fabrieken en pijpleidingstations beschermen tegen lekken. Elke sensor zou 10 keer minder moeten kosten dan een conventionele lekdetector en een jaar lang op een horlogebatterij moeten werken. Gekoppeld aan draadloze zenders die niet groter zijn dan postzegels, zouden ze met tienduizenden kunnen worden verspreid, een industriële faciliteit bedekken, of in lekgevoelige kleppen worden geperst om falende afdichtingen op te sporen, iets wat niet mogelijk is met veel grotere en duurdere conventionele sensoren.

Tegelijkertijd maakt Nanomix ontwerpen voor nieuwe nanomaterialen voor opslagmaterialen voor waterstofbrandstof met een nog groter vermogen om waterstof op te slaan dan de boornitridevellen op Jhi's scherm. Als deze materialen werkelijkheid worden, kunnen ze de prestaties van brandstofcelauto's drastisch verbeteren, waardoor auto's die op waterstof rijden eindelijk commercieel praktisch worden. Het bedrijf is ook gaan nadenken over hoe nieuwe nanomaterialen zoals nanobuisjes kunnen worden gebruikt in kleine computerapparatuur.

Nanomaterialen voor brandstofcellen en nanocomputers zullen waarschijnlijk jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen. Maar Nanomix gelooft dat het plan om sensoren en andere vroege toepassingen van nanotech te gaan verkopen, het al lang voor die tijd een levensvatbaar bedrijf zal maken. Mensen blijven zeggen dat nanotechnologie een lange weg is, en in die zin dat het een langetermijntrend is die een enorme impact zal hebben op de wereldeconomie. Maar sommige van de eerste aanvragen zijn pas over 18 maanden, voorspelt Janac.

Succes voelen

Het uitvinden van een nieuw materiaal, zeg maar een nieuwe polymeer of metaallegering, is nooit gemakkelijk geweest en is vaak meer een kwestie van toeval dan van theoretisch ontwerp. Zelfs in toonaangevende industriële faciliteiten zoals het centrale onderzoekslaboratorium van DuPont, dat veel van de belangrijkste polymeren en hightechmaterialen van vandaag heeft uitgevonden, is het proces vaak een schot in de roos dat meer wordt bepaald door de instincten van experimentatoren dan door de berekende voorspellingen van theoretici. Op nanoschaal beginnen de instincten van onderzoekers echter vaak te falen, omdat de vreemde regels van de kwantumwereld het overnemen. We komen op gebieden waar onze intuïtie, die vaak gebaseerd is op onze eerdere ervaringen, echt heel gebrekkig is, zegt Ed Wasserman, wetenschappelijk adviseur van het centrale onderzoek en de ontwikkeling van DuPont.

Het is echter een plek waar theoretische kwantumfysici zich meteen thuis voelen - een rijk waar ze god kunnen spelen en nieuwe materialen kunnen creëren door simpelweg rond atomen te schuifelen. Een van die goden is Cohen, medeoprichter van Nanomix, een pionier op het gebied van kwantummodellering. In de jaren zestig had Cohen het inzicht dat, aangezien alleen de buitenste elektronen van een atoom een ​​interactie aangaan om een ​​materiaal zijn eigenschappen te geven, het mogelijk is om de berekeningen die nodig zijn voor simulaties aanzienlijk te vereenvoudigen door alleen met die elektronen om te gaan. Deze wiskundige snelkoppeling bracht een revolutie teweeg in de kwantummechanische modellering. Als je een volledig elektronenberekening maakt, is het bijna alsof je probeert het gewicht van de kapitein van een schip te vinden door het schip te wegen en vervolgens de kapitein met het schip te wegen, legt Berkeley-natuurkundige Steven Louie, een adviseur van Nanomix, uit. Door de kapitein in wezen direct te wegen, maakt de software van Cohen het nu praktisch om een ​​pc te gebruiken om snel voorspellingen te doen over nanomaterialen met nieuwe combinaties van elektronische, magnetische en lichtverwerkingseigenschappen.

Maar Cohen realiseerde zich ook dat dergelijke simulaties slechts zo echt zijn als de vaardigheden van de experimentatoren verderop in de hal. Dus begon hij begin jaren negentig samen te werken met collega's van Berkeley, zoals Alex Zettl, die ervaring hadden met het synthetiseren van nieuwe materialen. De ontdekking en daadwerkelijke synthese van boornitride-nanobuisjes in 1994 was een vroeg succes. Cohen, nadenkend over de atomaire structuur van boornitrideplaten, realiseerde zich dat het mogelijk zou moeten zijn om de platen op te rollen om cilindrische moleculen te vormen. Andere onderzoekers hadden onlangs soortgelijke moleculaire buizen gemaakt van koolstof, maar niemand had de techniek uitgebreid tot boor en stikstof. Cohen en zijn studenten startten hun modellen op en berekenden dat boornitride-nanobuisjes niet alleen stabiel zouden zijn, maar ook interessante elektrische eigenschappen zouden vertonen. Binnen een jaar had experimentator Zettl een manier gevonden om de nieuwe nanobuisjes te maken en bevestigde de voorspelde eigenschappen.

Een mooie wetenschappelijke truc, zeker, maar hoe maak je van dat soort natuurkundige tovenarij een bedrijf?

De directe uitdaging voor de onderzoekers van Nanomix is ​​om de sensoren te perfectioneren die Janac heeft beloofd volgend jaar te gaan verkopen. Tot dusver hebben de theoretici van Nanomix de specifieke soorten nanobuisjes geïdentificeerd die het gevoeligst zouden reageren op de koolwaterstoffen die raffinaderijen, chemische fabrieken en pijpleidingen kunnen doordringen. Ze hebben ook voorspeld hoe elk gas de geleiding door de buizen zou veranderen, wat een spanningsvoetafdruk opleverde die het zou identificeren. Nu moeten de experimentatoren uitzoeken hoe ze de op nanobuisjes gebaseerde apparaten in massa kunnen produceren. En ze moeten een product leveren dat betrouwbaar genoeg is om de levens van fabrieksoperators te beschermen.

Zo'n ontwikkeling van een nieuw materiaal kan gemakkelijk een decennium duren. Maar als Nanomix - door gebruik te maken van zijn modellering en theoretische expertise om het proces te verkorten - binnen een jaar of zo de slag kan slaan, zal het zijn strategie voor nano-uitvinding valideren. Het opent ook de deur naar een hele wereld van sensoren. Om te beginnen zou Nanomix in staat moeten zijn om nanobuissensoren op maat te maken om zo ongeveer elk gas op te sporen, van koolmonoxide tot de verbindingen die in chemische wapens worden gebruikt. En het bedrijf sponsort academisch onderzoek dat gericht is op het afstemmen van nanobuisjes op de biochemische geur van ziekte, het meten van insulineniveaus bij diabetici of het detecteren van antigenen die wijzen op infectie. Nanobuisjes zijn het ultieme detectieplatform, stelt Janac. Je hebt niet meer nodig dan een enkele molecuulgevoeligheid, je stroomverbruik zal nanowatt zijn, en qua grootte kun je niet kleiner worden - althans in de nabije toekomst - dan een nanobuisje. We denken dat we met deze architectuur een revolutie teweeg zullen brengen in de sensorbusiness.

Nano-dollars

Maar technische uitdagingen zijn niet de enige problemen waarmee Nanomix wordt geconfronteerd. Het bedrijf racet niet alleen om een ​​nanoproduct op de markt te krijgen, het moet de concurrentie verslaan met de relatief kleine pool van durfkapitaalfinanciering die beschikbaar is voor nanotech-startups. Bij veel experts neemt de opwinding over de vooruitzichten van nanotechnologie misschien toe, maar de bereidheid van investeerders om geld in zeer speculatieve technologieën te steken, groeit lang niet zo snel. Dat betekent dat Nanomix, net als een aantal andere jonge nanotech-bedrijven, niet alleen moet worstelen om lastige wetenschappelijke vragen te beantwoorden, maar simpelweg om te overleven.

Het in San Francisco gevestigde Alta Partners schonk Nanomix seed-financiering in 2000 en vorig jaar had Nanomix $ 4,5 miljoen opgehaald. Maar sindsdien is het moeilijk geweest om extra fondsen te vinden, omdat durfkapitalisten voorzichtig zijn geworden na de economische crash van vorig jaar. Het is een hele klus geweest om andere mensen ertoe te brengen te investeren, zegt Alta-partner Peter Schwartz.

Ironisch genoeg zijn het precies de sterke punten van Nanomix - een sterke academische afkomst en theoretische expertise - die het bedrijf kunnen hinderen tegenover potentiële investeerders die op hun hoede zijn voor een veld waar resultaten vaak meer klinken als fundamenteel onderzoek dan als levensvatbare producten. En de schare aan theoretici van Nanomix maakt het bijzonder gemakkelijk om het bedrijf aan te zien voor een laboratorium voor basisonderzoek.

De druk heeft Nanomix ertoe gebracht om op korte termijn de nadruk te leggen op productontwikkeling, ten koste van de inspanningen van het bedrijf op het gebied van theoretische fysica. Maar hoewel Cohen de onmiddellijke noodzaak accepteert om een ​​product de deur uit te krijgen om financiële steun te krijgen, blijft hij toegewijd aan zijn droom: een bedrijf dat nanomaterialen uitvindt en commercialiseert door kwantummodellering en theorie te koppelen aan behendige experimenten. Het is een droom vol exotische materialen, alleen beperkt door de regels van de natuurkunde en de slimheid van zijn beoefenaars.

Zoals veel nanotech-onderzoekers zijn Cohen en zijn wetenschappelijke collega's bij Nanomix ervan overtuigd dat nanomaterialen niet alleen toepassingen zullen hebben in detectie en waterstofopslag, maar ook in elektronische apparaten die duizend keer kleiner zijn dan de huidige siliciumtransistors, waardoor ultrasnelle, ultrakleine computers mogelijk worden. Lilliputters met miljarden nanocomponenten zijn misschien nog jaren in de toekomst, maar Nanomix-onderzoekers denken al aan de nanomaterialen die ze mogelijk kunnen maken.

zich verstoppen