211service.com
Nanotech: kunst van het mogelijke
In het werk van George M. Whitesides worden dingen gemeten in nanometers. Een nanometer is een miljardste van een meter, en om een idee te krijgen hoe klein dat is, vergeet de analogieën met de breedte van een mensenhaar of de punt van een speld. De nanoschaal heeft niets te maken met bekende items. Je moet denken aan een plek waar objecten - inclusief de apparaten waaraan Whitesides en anderen werken - slechts iets groter zijn dan atomen.
Dingen op die schaal bouwen heet nanotechnologie. Het is een zich snel ontwikkelend veld met een enorm potentieel; kleine apparaten kunnen een revolutie teweegbrengen in computergebruik, informatieopslag, communicatie en een aantal onvoorziene gebieden. Maar het is ook een gebied dat vatbaar is voor overdreven beloften, met speculaties over nanomachines die eerder in Star Trek te vinden zijn dan in een laboratorium.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 1998
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Whitesides, een vooraanstaand chemicus en materiaalwetenschapper, verkent deze zeer kleine wereld al jaren. Na bijna 20 jaar aan het MIT te hebben gewerkt, trad Whitesides in 1982 toe tot de scheikundeafdeling van Harvard University. De Harvard-onderzoeker heeft micro- en nanofabricage voorzien van enkele van zijn meest bruikbare constructietechnieken. Maar Whitesides houdt ook een goed getrainde reality check op de nanowereld. Ondanks zijn duidelijke enthousiasme voor het veld, is hij van plan om te definiëren wat wel en niet mogelijk zal zijn.
KINDEREN Senior redacteur David Rotman bezocht onlangs Whitesides, Mallinckrodt Professor of Chemistry aan Harvard, op zijn kantoor in Cambridge om feiten en science fiction in nanotechnologie te scheiden.
TR: Laten we beginnen met een basisvraag. Hoe klein komt in aanmerking voor nanotechnologie?
WITTEN: De standaarddefinitie is functionele structuren met een afmeting van minder dan 100 nanometer, maar ik denk dat het aantal waarschijnlijk 50 nanometer of minder moet zijn.
TR: Waarom is nanotechnologie zo intrigerend?
WITTEN: Het is een uitbreiding van microtechnologie. En microtechnologie is de basis voor het maken van computercomponenten, en dat is heel belangrijk. Microtechnologie leeft al jaren met het idee dat het kleiner maken van dingen voordelen met zich meebrengt: ze zijn minder duur, je krijgt meer draagbaarheid en meer prestaties per dollar. Het idee is dat sinds kleinere met micro-elektronica heeft gewerkt, je die trend kunt voortzetten buiten de huidige maten in micro-elektronica, en dit krimpen brengt je in de wereld die nano wordt genoemd.
TR: Welke specifieke technologieën kunnen uit dergelijk werk voortkomen?
WITTEN: Een goed voorbeeld is informatieopslag. Op dit moment is de grootte van een plek op een cd-schijf in de orde van 10 vierkante micrometer. Mensen, vooral de mensen van IBM, hebben cd-equivalenten gemaakt die putjes op een draaiende schijf gebruiken, maar de putjes zijn nu 50 nanometer groot. Je zou in iets ter grootte van een polshorloge het equivalent van misschien 1.000 cd's kunnen krijgen. Dat begint een fractie van de referentiebibliotheek te naderen die je nodig hebt voor je leven. Dat roept interessante vragen op: wat gebeurt er als je alle informatie die je nodig hebt voor een groot deel van je leven op je polshorloge kunt zetten, in plaats van het echt te moeten leren? Het is een van die ideeën die het idee van hoe een leven moet worden geleid een beetje verschuiven. Je kunt die ideeën nemen en extrapoleren. Je zet een micro- of global positioning system op je polshorloge, zodat je weet waar je bent. Je zou de mogelijkheid kunnen hebben om jezelf te lokaliseren, berekeningen te doen, informatie te gebruiken, te communiceren.
TR: Waar staan we in termen van het daadwerkelijk realiseren van sommige van deze dingen?
WITTEN: In het stadium van laboratoriumprototypes. Mensen hebben kleine cd's gemaakt, maar die kun je buiten het laboratorium niet gebruiken. Het zal heel moeilijk worden om de fabricagemethoden die mensen nu gebruiken voor het maken van deze kleine constructies uit te breiden tot alles wat echt maakbaar is, maar het zal gebeuren.
TR: Hoe groot is deze uitdaging?
WITTEN: We hebben in principe een demonstratie van micro-elektronica dat als je dingen kleiner kunt maken, mensen er veel spannende dingen mee kunnen doen. Op dit moment kunnen we kleine dingen maken in laboratoria, maar we weten niet hoe we echt kleine dingen massaal kunnen maken in een productieomgeving. En we weten niet hoe we ze moeten gebruiken als we ze eenmaal hebben gemaakt. Totdat dat fabricageprobleem is opgelost, weten we niet wat er gemaakt kan worden en weten we ook niet hoe de technologie eruit zal zien.
TR: Fotolithografie die ultraviolet licht gebruikt om patronen op siliciumchips uit te etsen, is de dominante technologie bij het maken van micro-elektronica op micrometerschaal. Maar ik neem aan dat je ziet dat het niet veel toekomst heeft op het gebied van nanotechnologie?
WITTEN: Fotolithografie is zeer succesvol geweest. We hebben een geweldige tijd gehad met deze technologie en er is alle reden om te denken dat dit nog een tijdje zo zal blijven. Maar nu begin je een klein stapje terug te doen en te zeggen, nou, het is moeilijk om onder de 100 nanometer te gaan, en je kunt geen 3D-dingen bouwen. Het werkt echt niet voor te veel andere materialen dan silicium en dat soort dingen. We willen dingen klein maken, zodat ze snel en goedkoop en draagbaar kunnen zijn en niet veel energie verbruiken. Hoe doen we dat?
TR: Wat zijn enkele van de alternatieven?
WITTEN: Een daarvan is elektronenstralen, waarvan Scalpel een uitvoeringsvorm is. [Scalpel is een systeem ontwikkeld door Bell Labs van Lucent Technologies dat elektronenstralen gebruikt om siliciumwafels te modelleren]. Een andere kanshebber is röntgenlithografie [dit proces gebruikt röntgenstralen om wafels te modelleren]. Beiden hebben veel zeer moeilijke technische problemen, waarvan we veronderstellen dat ze min of meer zullen worden uitgewerkt, maar of ze echt goedkoop genoeg zijn, is een andere vraag. En dan komen er nieuwere technologieën bij die, denk ik, legitiem lange shots zijn, zoals lithografie met neutrale atomen of ionenbundels. Het is op dit moment een echte paardenrace over welke technologieën in nanotechnologie zullen worden gebruikt. Maar dit is nog maar het begin.
TR: Zijn de beperkingen in fotolithografie fundamenteel genoeg om een heel nieuw gebied van technologie voor het maken van micro-elektronica aan te drijven?
WITTEN: Ze zouden kunnen zijn. Fotolithografie wordt erg ingewikkeld en erg duur. Voor de nieuwe generatie fabrieken [fabricagefaciliteiten voor het maken van halfgeleiderchips] die nu gepland zijn voor de jaren 2000, worden de kapitaalkosten per fabriek geschat op $ 3 miljard tot $ 10 miljard. Als u 20 procent rendement op uw investering wilt, en u steekt $ 10 miljard in, hoeveel microwidgets moet u dan elk jaar verkopen gedurende de paar jaar dat die fab de stand van de techniek is? Het antwoord is: veel. En mensen die het geld moeten opbrengen, vinden dat niet leuk.
TR: Het blijft dus de vraag hoe heel kleine dingen gemaakt zullen worden. Wat zijn enkele van de andere onbekenden over de toekomst van nanotechnologie?
WITTEN: Er is het probleem dat de apparaten, wanneer je de ware grootte van nanoschaal bereikt, niet langer werken zoals verwacht op basis van extrapolaties van bestaande apparaten. Je krijgt enigszins verschillende meningen over hoe ver bestaande technologie geëxtrapoleerd kan worden. Mijn gok is dat je bestaande systemen kunt nemen en ze kunt extrapoleren naar ergens in het gebied van 50 tot 100 nanometer. Naarmate je draden, transistors en andere componenten dichter bij elkaar krijgt, beginnen ze met elkaar te praten, en deze overspraak wordt een zeer ernstig probleem. Ook de eigenschappen van de gebruikte basismaterialen - gedoteerd silicium - worden moeilijk te controleren.
TR: Naast het steeds kleiner worden van micro-elektronica, is er veel gesproken over het gebruik van nanotechnologie voor andere, mechanische soorten toepassingen.
WITTEN: Er zijn veel dingen die variëren van potentieel echt tot dingen die sciencefiction zijn. Er is het idee van hele kleine autonome machines die rondzwemmen in de bloedbaan of iets dergelijks. Ik zie geen manier om die te realiseren. De reden is dat, afgezien van de problemen bij het bouwen ervan, er afschuwelijke problemen zijn met macht in alles wat een autonoom systeem is. Er zal een echt diepgaande uitvinding moeten zijn voordat iemand erachter komt hoe kleine autonome systemen van stroom kunnen worden voorzien. We hebben voorbeelden van aangedreven systemen: bijvoorbeeld levende cellen of organellen in de cel. Maar de cel is eigenlijk geen klein object. Zoogdiercellen zijn ongeveer 25 micrometer groot en zelfs bacteriële cellen zijn 1 tot 3 micrometer groot. Virussen, die veel kleiner zijn, worden niet gevoed. Macht is dus een fundamentele vraag. Wrijving in kleine bewegende systemen is een tweede. Productie is een derde.
TR: Denk je dat sommige van deze applicaties overhyped zijn?
WITTEN: Wat Eric Drexler [K. Eric Drexler is een research fellow bij het Institute for Molecular Manufacturing in Palo Alto, Californië; zijn boek Engines of Creation hielp nanotech populair te maken] en anderen doen is het construeren van een reeks ideeën op basis van het kleiner maken van bestaande dingen. Ze zeggen dat als je een grote Rotorooter hebt, waarom dan geen kleine Rotorooter?
TR: Maar het is duidelijk het geval waar alleen omdat ze kleiner zijn ...
WITTEN: Ze zijn niet per se beter. Kleiner is niet per definitie altijd beter.
TR: En ze werken niet altijd als slechts een kleinere kopie.
WITTEN: Rechts. Ze zijn niet alleen niet per se beter, vooral niet als ze duurder zijn, maar ze werken misschien ook niet volgens dezelfde principes. Dat betekent dat we voor echt kleine constructies waarschijnlijk nieuwe architecturen en nieuwe manieren van denken over het probleem moeten uitvinden, zodat we kunnen omgaan met de eigenaardigheden van deze kleine machines. En natuurlijk is een van de interessante vragen: waar gaat het de moeite waard zijn om machines te maken die echt heel klein zijn?
TR: Als we dit gesprek over vijf of tien jaar zouden hebben, weet je dan waar we het over zouden hebben?
WITTEN: Ik denk dat we misschien een iets ander gesprek hebben. Een die minder gaat over hoe nanotechnologie de wereld heeft veranderd en meer over hoe goedkope microtechnologie deze heeft veranderd. Op dit moment reserveren we de wereld van microfabricage-structuren tussen enkele honderden nanometers en een paar micron [een micron is een micrometer, een miljoenste van een meter]- voor elektronische microprocessors en computersystemen. Het is een zeer legitieme vraag om te vragen wat er gebeurt als je veel dingen die nu op centimeter- en millimeterschaal zijn gemaakt, uitbreidt naar de micrometerschaal, en welke nieuwe functies krijg je?
TR: Wat heb je in gedachten?
WITTEN: Een uitdrukking die ik gebruik is technologie op micronschaal met de economie van krantenpapier. In plaats van een krant te kopen, kunt u bijvoorbeeld een vel papier kopen; de achterkant ervan zou een batterij zijn, de voorkant zou een display zijn. Je leest het, bladert om er naslagwerken over te vinden, ziet geanimeerde illustraties en als je klaar bent, gooi je het weg. Een van de dingen waar we het over 10 jaar misschien over hebben, is hoe elektronica op micronschaal met behulp van nieuwe technologieën in allerlei dingen is geslopen. Mijn overtuiging is dat bijna alles - schoenen, ramen, kinderspeelgoed, boodschappenetiketten, verzendlabels, creditcards - over een paar jaar elektronica zal hebben.
TR: Je noemt vaak biologie en natuurlijke systemen. Wat vertelt de biologie je over nanotechnologie?
WITTEN: Biologie maakt allerlei zeer functionele kleine structuren. Drexler heeft het over kleine motoren; we hebben een geweldig voorbeeld van een kleine motor in de biologie, de flagellaire motor in bacteriën. Deze motor werkt echt heel goed, en hij lijkt eigenlijk veel op een motor. Kunnen we ofwel leren hoe we deze biologische dingen op een geschikte manier in onze apparaten kunnen gebruiken, of de principes van de biologie beter begrijpen en dan leren hoe we deze principes kunnen inbedden in niet-biologische systemen? Een ander voorbeeld zijn sensoren. Veel van wat er in een biologisch systeem wordt gedaan, is waarnemen. Het netvlies, de neus, ze zijn allemaal afhankelijk van moleculen die sensoren op nanoschaal zijn. Hoe kunnen we deze ideeën gebruiken om kunstmatige ogen en neuzen te bouwen?
TR: Zegt biologie je iets over de uitdagingen die voor je liggen?
WITTEN: We bestaan uit een hiërarchische set van structuren en componenten. We hebben moleculen op nanoschaal die zijn verzameld in organellen, die 10 nanometer tot misschien 100 nanometer groot zijn, verzameld en collectief werkend in cellen, die vervolgens aggregeren tot weefsels die ons worden. Een van de problemen in de elektronica is dat we alleen in twee schalen werken. Transistoren en verzamelingen transistors - en dat is het apparaat. Maar om nano volledig te benutten, moeten we nadenken over die volledige hiërarchie van structuurniveaus.
TR: Wat zijn enkele van de grotere lessen die uw onderzoek in nanotechnologie u heeft geleerd?
WITTEN: Een daarvan is het idee dat functie vaak hiërarchisch is en prioriteit heeft. Moleculen doen bepaalde dingen, objecten van 10 nanometer doen bepaalde verschillende dingen, objecten van 100 nanometer doen nog andere verschillende soorten dingen. Voor complexe functionaliteit moet je leren hoe je van kleine stukjes tot grote objecten kunt bouwen, gebruikmakend van de unieke mogelijkheden van elk. De tweede is dat er verschijnselen zijn die maatspecifiek zijn. Een van de dingen die je op elke schaal doet, is zoeken naar overeenstemming tussen het fenomeen waar je naar kijkt en het object. Telkens als je ziet dat het fenomeen en de structuren vergelijkbare afmetingen hebben, zijn er interessante dingen die je kunt doen. Het derde punt is dat er met name voor de nanometerschaal geen rijkere schatkamer aan interessante ideeën en strategieën is dan de biologie.