Νανοτεχνολογία, η επιστήμη στο μοριακό επίπεδο

Αρθρο, Ιανουάριος 2002

Η νανοτεχνολογία είναι συγχρόνως επιστήμη και τεχνολογία, σε μια κλίμακα που ονομάζουμε nano, μια μονάδα ίση με ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Η επιστήμη αυτή σκοπεύει να ελέγξει με ακρίβεια τη δομή της ύλης σε μοριακό επίπεδο αφού το μέγεθος των μεγαλυτέρων μορίων είναι της τάξεως του ενός nanometer.

O Eric Drexler, που πρωτοκαθιέρωσε τον όρο, στο βιβλίο του, "Μηχανές της δημιουργίας", που εκδόθηκε το 1986, υποστήριζε ότι θα γινόταν κατορθωτό μια μέρα να κατασκευαστούν αυτο-αναπαραγόμενες «νανομηχανές», που θα μπορούσαν να συναρμολογήσουν τα άτομα μέσα στα μόρια, ακόμα και να δημιουργήσουν καινούργια όργανα.

Ολοι καταλαβαίνουν ότι πρόκειται για μια τεχνολογία σε μια πολύ - πολύ μικρή κλίμακα, αλλά υπάρχουν ήδη συστήματα που δουλεύουν, περισσότερο ή λιγότερο, με αυτόν τον τρόπο: σαν ζωντανά κύτταρα. Βέβαια, εάν κάποτε το όραμα του Drexler υλοποιηθεί, μάλλον δεν θα μοιάζει με αυτό που εκείνος είχε φανταστεί, αλλά θα πάρει τη μορφή δημιουργημάτων που αλληλεπιδρούν με τη «νανοτεχνολογία» της φύσης.

Για δεκαετίες, οι τεχνικοί ελαττώνουν συνέχεια τις διαστάσεις των υλικών, δημιουργώντας όλο ένα και μικρότερες δομές και συσκευές με μεγαλύτερες ικανότητες. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι πλησιάζουμε γρήγορα σε αξεπέραστα εμπόδια με αυτές τις τεχνικές.

Οι νανοτεχνολόγοι ξεπέρασαν όμως αυτά τα εμπόδια δουλεύοντας στο μικρότερο δυνατόν σημείο (τα άτομα), με τη δημιουργία νέων υλικών και δομών από μεμονωμένα άτομα και μόρια. Αντίθετα από τη βιοτεχνολογία, η νανοτεχνολογία δεν περιορίζεται στην επαναοργάνωση των λειτουργιών που η φύση έχει  ήδη ολοκληρώσει. Αντ' αυτού, η νανοτεχνολογία θα επιτρέψει την αναδιοργάνωση της ύλης άτομο προς άτομο προς νέες διαμορφώσεις, που θα δημιουργήσουν δομές μοριακής-κλίμακας και μηχανές αρκετά ευπροσάρμοστες για να φέρουν την επανάσταση στην επιστήμη, στην ιατρική, στη γεωργία, στις κατασκευές, στην επιστήμη υλικών, στην αεροδιαστημική, στην τεχνολογία πληροφοριών, στις τηλεπικοινωνίες και στις περισσότερες άλλες ανθρώπινες προσπάθειες. Οι υπερασπιστές της νανοτεχνολογίας λένε ότι ο αντίκτυπός της θα είναι μεγαλύτερος από τις σαρωτικές αλλαγές που δημιουργήθηκαν από την γεωργική, βιομηχανική και πληροφοριακή ανάπτυξη επί σειρά ετών.

Ανακατασκευάζοντας τη δομή της ύλης από το πιό μικρότερο τμήμα προς τα πάνω και χρησιμοποιώντας μοριακές μηχανές για να κατασκευαστούν νέα υλικά σε ατομική κλίμακα, μπορεί να φανεί σε μερικούς σαν επιστημονική φαντασία. Στην πραγματικότητα, ο Richard Feynman ένας βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός, έδειξε τον δρόμο στην επιστήμη της νανοτεχνολογίας με μια συζήτηση το 1959 που τιτλοφορήθηκε "Υπάρχει άφθονος χώρος στο πιό χαμηλό σημείο," στην   οποία υπέδειξε τη δυνατότητα και την ωφέλεια από τον έλεγχο και τη συγκέντρωση μεμονωμένων ατόμων και μορίων πάνω σε μια βάση του ενός ατόμου.

Ο Feynman ήταν γνωστός για το χιούμορ του, και πολλοί στο ακροατήριο γέλασαν με αυτό. Αλλά αυτή η ομιλία που έγινε περίπου 40 έτη πριν, ήταν αυτή που ξεκίνησε τη νανοτεχνολογία και τη μοριακή κατασκευή.

Οι ερευνητές της τεχνολογίας της πληροφοριλης ήταν μεταξύ των πρώτων που είδαν τα πλεονεκτήματα της νανοτεχνολογίας. Αυτό έγινε επειδή, όπως και οι υπολογιστές, η νανοτεχνολογία λειτουργεί στο πιό θεμελιώδες επίπεδο (άτομα βέβαια κι όχι bytes), εργάζεται πολύ γρήγορα επειδή λειτουργεί σε μια πολύ μικρή κλίμακα, θα μειώσει τις δαπάνες καθώς η τεχνολογία θα εφαρμόζεται, και θα είναι τελικά πανταχού παρούσα.

Η νανοτεχνολογία θα χρησιμοποιήσει μοριακές μηχανές για να αλλάξει τη βασική δομή των αντικειμένων και θα δημιουργήσει πλήρως καινούργια που δεν θα έχουν ποτέ πριν υπάρξει. Αυτά τα μηχανήματα είναι τόσο σύνθετα όπως ένα αυτοματοποιημένο εργοστάσιο, αλλά μικρότερου μεγέθους, με γρηγορότερους ρυθμούς, και ικανά να κάνουν ουσιαστικά τα πάντα. Είναι λοπόν αυτό το απεριόριστο πεδίο που έχει προκαλέσει την παγκόσμια προσοχή τώρα σε αυτήν την δημιουργούμενη τεχνολογία.

Βασικά γεγονότα στη νανοτεχνολογία:

• 1959 - Ο Feynman παραδίδει τη διάσημη διάλεξη του στο Caltech
Όπου όλα ξεκίνησαν εκείνη τη μέρα. Ο Feynman θέτει ως αίτημα ότι μπορούμε κάποια ημέρα να χειριστούμε την ύλη σε μια μικροσκοπική κλίμακα, σε αυτή του ατόμου.

• 1981 - Εφευρίσκεται το μικροσκόπιο ανίχνευσης μέσω σήραγγας (STM) που μας επιτρέπει να δούμε πραγματικά μεμονωμένα μόρια, μέσω της δημιουργίας εικόνων των επιφανειών, ατομικής ανάλυση. Οι εφευρέτες του STM, ο Heinrich Rohrer και Gerd Karl Binnig, παίρνουν το βραβείο Νόμπελ πέντε έτη αργότερα.

• 1981 - Το πρώτο επιστημονικό έγγραφο για τη νανοτεχνολογία που δημοσιεύεται, στην Εθνική Ακαδημία των Επιστημών των ΗΠΑ με τίτλο, Πρωτεϊνικό Σχέδιο ως μία Διάβαση στη Μοριακή Κατασκευή, από τον Δρ K. Eric Drexler ενισχύει τη θεωρία ότι οι επιστήμονες θα είναι σε θέση σύντομα να κατασκευάσουν σύνθετες τεχνητές μοριακές μηχανές.

• 1986 - "Μηχανές της Δημιουργίας: Η ερχόμενη εποχή της νανοτεχνολογίας ", ένα επαναστατικό βιβλίο που δημοσιεύεται από τον Δρ K. Eric Drexler και χρωματίζει την πρώτη σαφή εικόνα της επανάστασης.

• 1986 - Ιδρύεται το Ίδρυμα για να προετοιμάσει την κοινωνία για τις προσδοκώμενες προηγμένες τεχνολογίες. Εστίαση στη μοριακή νανοτεχνολογία και τις ευρείες μελλοντικές επιπτώσεις των κατασκευασμένων υλικών και των προϊόντων με ατομική ακρίβεια.

• 1989 - Χρησιμοποιώντας την εξαιρετικά λεπτή άκρη ενός μικροσκοπίου ανίχνευσης μέσω σήραγγος, επιστήμονες στην ΙΒΜ της Ζυρίχης δείχνουν ότι μεμονωμένα μόρια μπορούν να μετακινηθούν και να τοποθετηθούν ακριβώς σε ορισμένη θέση. Το πρώτο πείραμα γίνεται με 35 άτομα Ξένου, μεγέθους τριών nanometers.

• 1991 -  Ανακαλύπτονται οι νανοσωλήνες από άνθρακα. Ο Sumio Iijima αποκαλύπτει τις πρώτες δομικές μονάδες νανοτεχνολογίας - κλειστές δομές γραφίτη.

• 1991 - Ιδρύεται το Ιδρυμα για τη Μοριακή Κατασκευή. Η πρώτη μη κερδοσκοπική οργάνωση για να πραγματοποιήσει έρευνα και ανάπτυξη στις μοριακές κατασκευές και τη μοριακή νανοτεχνολογία.

• 1993 - Κατορθώνεται η σύνθεση οργανικού νανοσωλήνα. Οι επιστήμονες στο Επιστημονικό Ίδρυμα Weizmann του Ισραήλ, δημιουργούν τις πρώτες νανοδομές.

• 1997 - Ιδρύεται η Zyvex ως η πρώτη εταιρεία Μοριακής Νανοτεχνολογίας, από τον James Von Ehr II.

• 1997 - Δημιουργείται η πρώτη νανομηχανική συσκευή βασισμένη  σε DNA, από τον Nadrian Seeman του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, που καταδεικνύει ότι τα μόρια που βρίσκονται στη φύση μπορούν να χρησιμοποιηθούν για καινούργιους σκοπούς. Συγκεκριμένα το DNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δομική μονάδα για τις μηχανικές συσκευές σε κλίμακα nanometer.

• 1999 - Ιδρύεται ηTechnonogy Founded ως η παγκόσμια κορυφαία επιχείρηση νανομετάλων, από τον Larry Welch και τον Joe Martin.

• 1999 - Επιστήμονες δημιουργούν διακόπτη υπολογιστών μοριακής-κλίμακας. Οι επιστήμονες Mark Reed και James M. Tour δημιουργούν οργανικό διακόπτη σε ένα μοναδικό μόριο, αποδεικνύοντας ότι οι ηλεκτρονικές και υπολογιστικές συσκευές μπορούν να αναπτυχθούν σε μοριακό επίπεδο. Ο άθλος αυτός προετοιμάζει το έδαφος για τη ριζικά νέα γενεά των "τρανζίστορς" τόσο μικρών που μιά μικρή κούπα από αυτά θα περιέχει περισσότερα τρανζίστορς από όσα υπάρχουν σήμερα στον κόσμο.