0,000000001

Nanotechnológia - manapság olyan divatos modern szó, ami rengeteg lehetőséget rejt, ami nagyban előremutató, viszont sokak számára félelemkeltő is egyben. De hogyan is van ez valójában? Mi is az, vagy inkább mekkora is az a ’nano’? Meg miért is kellene tőle félni?

Nem tudatosítjuk, de már itt van a mindennapjainkban. Igen, igen, ott van már a Te zsebedben is és ugye, nem is tudsz róla. És persze nem csak ott. Már körülvesz bennünket és nem is látjuk, hiszen hogyan is láthatnánk. Pedig ott van, hidd el nekem. Sokat kellett gondolkodni, új dolgokat felfedezni és addig nem tapasztalt jelenségeket megérteni, amíg ideértünk, ezért kezdjük is az elején.

A nanotechnológia tanulmányozza az anyag atomi vagy molekuláris szinten történő manipulálását, tulajdonságait és előállítási módjait. Nanotechnológiának nevezzük azt az eszközt/dolgot, amelynek legalább az egyik kiterjedése/dimenziója kisebb, mint 100 nm. Ugye nehéz ezt így elképzelni, és ha még elmondom, hogy ún. nulla dimenziós struktúrákat is ismer ez a tudományág, akkor tényleg már kicsit sok lehet. Pedig igen, de először is tisztázzuk talán, mennyi is egy nanométer és utána kitérünk majd ezekre az egzotikus képződményekre is.

Nos, az 1 nanométer az egy „rendes” méter egy milliárdod (1nm = 10-9m) része, tehát egy millimétert még millió darabra kell szabdalni, nah és akkor pont annyi. Hogy könnyebb legyen elképzelni, akkor ez olyan, mintha egy üveggolyót hasonlítanánk a Földünkhöz. Fiúk, számotokra van egy még jobb hasonlatom: Egy nanométer pont annyi, amennyit egy átlagos ember szakálla megnő az idő alatt, amíg pengéjét arcához emeli borotválkozás közben. Csakhogy még jobban tisztában legyünk a méretekkel, mert ez nagyon fontos, a legkisebb élő sejt (a Mycoplasma baktérium) kb. 200 nm nagy. DNS-ünk átmérője olyan 2 nm, a hélium atom átmérője pedig 0,1 nm körül van.

Most, hogy már kicsit megbarátkoztunk ezzel a miniatűr világgal, lépjünk is tovább, vagyis inkább kicsit vissza, mondjuk úgy 1959-be. Pontosabban egy december 29i napra, amikor is a Nobel-díjas Feynmann bácsi beszédet tartott az Amerikai Fizikai Társaság éves találkozóján, amely a huszadik század egyik klasszikus tudományos előadása lett (There's Plenty of Room at the Bottom címmel). Egy technológiai elképzelést mutatott be az extrém miniatürizálásról, jó pár évvel a „chip” szó szótárba vétele előtt. Beszédében a dolgok kisebb skálán történő irányításának problémáját tárgyalta. Extrapolálván az ismert fizikai törvényektől egy olyan technológiát képzelt el, amely a természet alapvető folyamatát követné, nanoobjektumok építését atomról atomra, molekuláról molekulára.

Ma már ott tartunk, hogy amit akkor ő ott felvázolt, mondhatni már többé-kevésbé valóság és a mai technológia már képes rá. A legújabb mikrocsipeket 32 nm-es csíkszélességgel gyártják. Hogy mit is jelent ez, azt leegyszerűsítve talán úgy lehetne megfogalmazni, hogy ekkora a csippen található több milliárd tranzisztor legkisebb mérete. És ez már nem semmi. A technológia elméleti határa a 25 nm, amit valószínűleg már a következő évben elérünk, így hát nem marad más, minthogy egyre több és több csipet ragasztunk össze. Ez az eljárás az ún. top-down módszer, tehát fentről lefelé, amikor is a nagy mintából egyre kisebbeket és kisebbeket készítünk. Erre a legjobb és legismertebb példa a már említett mikrocsip, ahol egy „fénysugár vágja” bele a struktúrát (a tranzisztorokat) a nyomómintába.

A másik hozzáállás az ún. bottom-up, alulról fölfelé, amikor is próbáljuk a természetet célszerűen és irányítottan leutánozni és tényleg atomról-atomra építkezünk. Hogy megint egy példán illusztráljam, gondoljunk csak a DNS-ünkre. Igen, tudom elég bonyolult szerkezet és még bonyolultabb rendszert alapoz meg, akár minket, embereket és miközben csak egy pár alapszabályt használ ehhez a gigantikus építkezéshez. Ez a magas szintű önrendeződés és mesteri egyszerűség az, ami annyira csábító. Már évek óta próbáljuk ezt lemásolni, valahogyan rávenni az egyes atomokat, persze kihasználva fizikát, kémiát, hogy önmaguktól rendeződjenek és alkossanak pontos struktúrát. A technológia legnagyobb előnye pont ez a tökéletes precizitás és előállítási eljárás. Gyakorlatilag csak össze kell keverni a megfelelő dolgokat és voilà, kész is.

Most értünk el oda, ahol a szkeptikusok és a tudományos-fantasztikum azt találgatja, hogy majd jönnek az apró kis robotok és „megesznek” majd mindent, mivel rombolni mindig sokkal könnyebb, mint alkotni, és ha már atomi szinten vagyunk, jajj. De szerintem ettől nem kell tartanunk. Ettől sokkal nagyobb veszélyek is leselkednek ránk ebben a mi világunkban. Azt hiszem, kicsit térjünk vissza, mielőtt bármiféle találgatásokba merülnénk az egyes technológiák veszélyeiről.

A világ talán legjobb pásztázó elektronmikroszkópja

Annyit beszélek már ezekről az aprócska dolgokról és gondolom már sokatokban felmerült a kérdés, hogy akkor, hogy a fenébe is látjuk ezeket, mert jól van, hogy legyártjuk, és akkor mi van? Nah, igen. Ugye szabad szemmel már egy millimétert is nehéz megkülönböztetni és ilyen kicsike méreteknél már az optikai mikroszkóp sem segít. A fény, jobban mondva a látható fény hullámhossza olyan 400 és 750 nm között van, ami már túl nagy, így a klasszikus optikai mikroszkópok ki vannak zárva. Ezért megint egy újabb dolgot, eszközöket kellet kitalálni. Így jött létre a pásztázó elektronmikroszkóp (SEM), ami elektronokat használ a tanulmányozott minta feltérképezéséhez, gyakorlati felbontása pedig olyan 2 nm körül van. Persze, ehhez már számítógép is szükséges, a végeredmény megjelenítéshez és a számításokhoz. Nagyon komoly matematika van mögötte, a fizikáról nem is beszélve. Akit érdekel, majd járjon utána vagy keressen meg.

Az STM működési sémája

A pásztázó mikroszkópok következő fajtái a pásztázó alagútmikroszkópok (STM) és az atomerő mikroszkópok (AFM). Ezek ugyan úgy, mint az elektronmikroszkóp, végighaladnak a minta felszínén és úgymond letapogatják – szó szerint értve – azt, különböző fizikai jelenségeket kihasználva. A végeredmény tehát a tanulmányozott minta felszíni térképe/jellege. Hogy hogyan is működnek pontosan, abba megint nem mennék bele, mivel a megértéséhez szükséges a kvantumfizika bővebb ismerete. Szóval ezeket az eszközöket használjuk, hogy megnézzük, mi is van ott lenn abban a világban.

De mi is van ott, hogyan is működik a fizika ott lenn? A végére pár szót azért mondanék arról is, no meg azokról az ígért nem mindennapi szerkezetekről. Itt kicsit másféle játékszabályok érvényesek, mint amiket megszoktunk. Gyakorlatilag elfelejthetjük a gravitációt, itt inkább a kvantumfizika jelenségei dominálnak. Az egyik legfontosabb és nagyban meghatározó a felület-térfogat arány. Ilyen méreteknél olykor az objektum felületén már több atom van, mint úgymond „benne”, ami új tulajdonságokkal ruházza fel azt. Biztosan hallottatok már a grafénról vagy a fullerénekről.

Hogy csak egy kvantumfizikai jelenséget mondjak, a már említett STM mikroszkóp azt használja ki, hogy az elektronok tuneloznak. Ez azt jelenti, hogy nem nulla a valószínűsége annak, hogy egy elektron egy akadály másik oldalára kerül, ahol valójában nem is lehetne a klasszikus felfogás alapján. Ez olyan, mintha átmennénk a falon. Mi nem tudunk, de az elektron igen. Ebben a „más” világban ez is lehetséges. Ez a világ már csak ilyen. Itt létezik 0D-s objektum, amit nem úgy kell elképzelni, hogy annak nincs semmilyen kiterjedése, persze hogy van. Csak annyira parányi már, hogy az elektron mozgását annyira lekorlátoztuk, hogy csak meghatározott helyeken lehet. Gyakorlatilag létrehoztunk egy mesterséges atomot. Köztudott ugye, hogy az atomokban az elektronok csak meghatározott energiaszinteken lehetnek és így van ez ebben a képződményben is. Éljen a kvantumfizika! :)

A kvantum délibáb

Ez a világ az ahol élünk (mondjuk én talán még inkább), ahol megpróbáljuk utánozni, olykor meghazudtolni a természetet, a természet törvényszerűségeit, magát a fizikát, hogy ilyen aprócska dolgokat készítsünk, hogy görgessük a fejlődést előre, hogy értelmesebb és kellemesebb világban éljünk. Mindezt naponta magadnál tartod, viseled, használod és ugye nem is tudtál róla?

Forrás: www.wikipedia.org