Πράσινο φως για τις νανομηχανές

Από σελίδα του PhysicsWeb 28-Νοεμβρίου-2000

Περιεχόμενα Σελίδας:

1. Εισαγωγή
2. Νανομοτέρ
3. Μια νέα επανάσταση στην τεχνολογία
4. Αναπαραγωγή του εαυτού τους

Μια "νανομηχανή" βασισμένη σε αυθόρμητες κινήσεις μιας συστάδας ατόμων κασσιτέρου πάνω σε μια επιφάνεια χαλκού θα μπορούσε να είναι η βάση για μια νέα γενιά της νανοτεχνολογίας σύμφωνα με τον Andreas Schmid και τους συνεργάτες του στο φημισμένο Εθνικό Εργαστήριο   Sandia των ΗΠΑ.

Ο Schmid και οι συνάδελφοι του παρατήρησαν πως άτομα κασσιτέρου που βρίσκονται πάνω σε μια επιφάνεια χαλκού γρήγορα τακτοποιούνται σε ομάδες και κινούνται προς τα εμπρός χρησιμοποιώντας ενέργεια που δημιουργείται από μια χημική αντίδραση μεταξύ του κασσιτέρου και των ατόμων του χαλκού. Βρίσκοντας ωστόσο ένα τρόπο για τον έλεγχο αυτής της κίνησης θα είναι μια αποφαστική καμπή για την ανάπτυξη των κινητήρων μοριακών διαστάσεων. Εχει δημιουργηθεί δηλαδή ένα σύστημα το οποίο παίρνει ενέργεια από τον εαυτό του, αλλάζοντας ταυτόχρονα το περιβάλλον του.

Ο Schmid και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν νέες μικροσκοπικές τεχνικές για να παρατηρήσουν σε πραγματικό χρόνο αντιδράσεις μεταξύ των συστάδων κασσιτέρου  - που καθένα περιέχει εκατοντάδες χιλιάδων ατόμων - και της επιφάνειας του χαλκού. Αυτοί βρίσκουν πως ο κασσίτερος και τα άτομα του χαλκού ανταλάσσουν θέσεις στον ενδιάμεσο χώρο ανάμεσα στα δύο μέταλλα για να σχηματίσουν μπρούντζου. Τα άτομα του κασσιτέρου στην συστάδα απωθούν ισχυρά εκείνα που ήδη αντέδρασαν με τον χαλκό. Η ανάγκη για να ελαττωθεί η επιφανειακή τάση οδηγεί τις νησίδες κασσιτέρου προς καθαρά τμήματα του χαλκού, αφήνοντας 'ίχνη σαλιγκαριού' του μπρούντζου πίσω από αυτά. Αυτή η δισδιάστατη διαδικασία ανάμιξης παριστάνει μια μηχανή, ένα κινητήρα, επειδή αυτή μετατρέπει την χημική ενέργεια προς κινητική ενέργεια.

Η κίνηση των συστάδων πάνω στην επιφάνεια του χαλκού είναι εκπληκτικά σύνθετη. Η ομάδα του Schmid παρατήρησε πως, far από την κίνηση με ένα τυχαίο τρόπο, οι συστάδες τείνουν να ακολουθήσουν οργανωμένες τροχιές (μονοπάτια) και διασταυρώνονται με παλιές τροχιές μόνο όταν δεν μπορούν να βρούν εναλλακτικούς δρόμους. Οι ερευνητές ήσαν ικανοί να μεταβάλλουν τη ταχύτητα των συστάδων  - που, αναλογικά σε σχέση με το βάρος τους, παράγουν τρείς φορές περισσότερη ισχύ από ένα αυτοκίνητο - ρυθμίζοντας την θερμοκρασία. Οι συστάδες βαθμιαία συστέλλεται και εξαφανίζεται όταν όλη η ποσότητα του κασσίτερου έχει αντιδράσει με τον χαλκό.

Ο κασσίτερος είναι συνήθως απρόθυμος για να αντιδράσει με τον χαλκό επειδή τα άτομα του είναι πολύ μεγαλύτερα. Ο Schmid και οι συνεργάτες του ξεπέρασαν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ένα κρύσταλλο χαλκού που σχίζεται κατά μήκος του επιπέδου που περιέχει τα περισσότερη ελαττώματα - τα οποία έτσι διευκολύνουν τα άτομα του κασσιτέρου να αντιδράσουν πιό εύκολα.

Το φαινόμενο αυτό είναι μια εκδοχή της νανοκλίμακας που ένας από τους πρώτους που δούλεψαν ήταν ο Lord Rayleigh στον 19ο αιώνα. Ο Rayleigh καθόρισε την τάση επιφάνειας του νερού παρατηρώντας τη κίνηση των σωματιδίων καμφοράς κατά μήκος του νερού οδηγούμενα από την επιφανειακή τάση.

Οπως είπε και ο καθηγητής Norman Bartelt από το Sandia National Laboratories. ''Η κουκίδα του κασσίτερου κινείται σα ζωντανή καθώς τρέφεται από την επιφάνεια του άνθρακα. Κινείται σε καθαρές περιοχές της ανθρακικής επιφάνειας, τρώγοντας το υπόστρωμα και αποβάλλοντας τα άτομα του άνθρακα που καταβροχθίζει, υπό τη μορφή μπρούντζου''.

Οι εφαρμογές από τις νέες αυτές εξελίξεις δεν είναι ακόμη ξεκάθαρες, όπως παραδέχονται και οι υπεύθυνοι ερευνητές. Αυτό που οραματίζονται οι επιστήμονες της νανομηχανικής είναι, αρχικά, η εισαγωγή των μηχανών αυτών στο ανθρώπινο κύτταρο, με σκοπό την καταστροφή διαφόρων νοσογόνων παραγόντων που πιθανόν το έχουν προσβάλλει.  Πάντως, όπως είπε και ο R.Feynman σε μια διάλεξη του το 1959: "Οι αρχές της Φυσικής, όσο μακριά μπορώ να δώ, δεν είναι εναντίον της πιθανότητας χρήσης τους σε ατομικό επίπεδο".

Νανομοτέρ

Στο Πανεπιστήμιο Cornell, δημιούργησαν όπως αναφέρει το επιστημονικό περιοδικό Science ένα μοτέρ μεγέθους 750 nm (10^-9 m). Δηλαδή τρείς τάξεις μεγαλύτερο από ένα συνηθισμένο άτομο. Πρόκειται για ένα μοτέρ και μια μεταλλική προπέλα που παίρνουν ενέργεια από το ίδιο το κύτταρο στο οποίο έχουν προσκολληθεί. ''Ετσι ανοίγει ο δρόμος για την κατασκευή μηχανών που θα ζουν μέσα στο κύτταρο. Μας επιτρέπει να συγχωνεύσουμε κατασκευασμένες μηχανές με ζωντανά συστήματα'', δήλωσε ο Carlo Montemagno από το Πανεπιστήμιο Cornell.

Μια νέα επανάσταση στην τεχνολογία

Η νανομηχανική, μια νέα επιστήμη στον ασύλληπτο  χώρο της τάξης των λίγων μικρών του μέτρου, υπόσχεται να ξεπεράσει όλες τις υπάρχουσες κατασκευαστικές, υπολογιστικές και ενεργειακές εφαρμογές. Πρόκειται για τη δημιουργία μηχανών που αποτελούνται από μακρομόρια τεχνητά κατασκευασμένα και συνδυασμένα, τα οποία μπορούν να μιμηθούν τις κατασκευαστικές διαδικασίες της φύσης, με πιο ταχύ ρυθμό. Αντί για γρανάζια και αρθρώσεις χρησιμοποιούνται, για την κατασκευή αυτών των μηχανών, πρωτεϊνες ή τεχνητά μόρια, τα οποία δημιουργούν δομές πιο ευέλικτες, πιο σταθερές και πιο καθαρές.

Θα μπορούσαμε να φτιάξουμε για παράδειγμα μια μηχανή με πτερύγια, με τον άξονα του να είναι ένα μόριο πυριτίου, οι ακτίνες του έξι μόρια οξειδίου του πυριτίου και η στεφάνη ένα κατάλληλα διαμορφωμένο μόριο πλαστικού. Αν αυτή η - υποθετική - δομή εκτεθεί στην ηλιακή ακτινοβολία θα αρχίσει να περιστρέφεται. Αυτό θα συμβεί γιατί οι χημικές ενώσεις που την απαρτίζουν επιδεικνύουν διαφορετική συμπεριφορά στο εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό ρεύμα.
Με τον ίδιο τρόπο που θα κατασκευαστεί ένας τέτοιος νανοκινητήρας, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν τροχαλίες, αρπάγες ή σωλήνες μήκους μερικών nano και πάχους ενός ατόμου. Ολος ο μηχανολογικός εξοπλισμός που έχει αναπτύξει ο άνθρωπος σε μικρογραφία, με πραγματικά ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας.

Αναπαραγωγή του εαυτού τους

Το ουσιαστικά σημαντικό με αυτή την τεχνολογία είναι ότι μπορεί για πρώτη φορά να δημιουργήσει μηχανές που μπορούν να αναπαράγουν ή να ανασχηματίσουν τον εαυτό τους. Ας φανταστούμε έναν αριθμό από δομικά στοιχεία τα οποία θα στοιβάζονται από μόνα τους το ένα πάνω στο άλλο, σύμφωνα με τις εντολές που θα έχουν πάρει από το χειριστή τους. Η θεωρία της νανομηχανικής λέει ότι όταν τους δοθεί η κατάλληλη εντολή, τα ίδια τούβλα θα αναδιαταχθούν, δίνοντας διαφορετικό σχήμα στη δομή που τα ίδια δημιούργησαν. Το πιο ωραίο είναι ότι δεν χρειάζεται να έχουμε μεγάλους αριθμούς από αυτά τα τούβλα, καθώς η εξέλιξη της νανοτεχνολογίας θα επιτρέψει, στο μέλλον, την αναπαραγωγή τους. Μια δεξαμενή πρώτων υλών θα παρέχει τα συστατικά ενώ οι ίδιες οι νανομηχανές θα τα συνδυάζουν ανάλογα με τις εντολές του χειριστή τους. Με τα κατάλληλα υλικά θα μπορούν να φτιάξουν οτιδήποτε, ακόμα και άλλες νανομηχανές.

Οι εφαρμογές είναι στην κυριολεξία αμέτρητες. Από τη στιγμή που όλα αυτά θα φτάσουν σε εφαρμόσιμο σημείο, η διαδικασία παραγωγής θα πάψει να είναι η ίδια. Κατασκευές ασύλληπτου μεγέθους και αντοχής θα αναπτύσσονται με τον τρόπο που αναπτύσσονται τα φυτά. Στη Γη ή στο διάστημα, οι νανομηχανές θα χτίζουν, μόριο-μόριο, χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση. Αλλες μηχανές θα εποπτεύουν και θα επισκευάζουν το ανθρώπινο σώμα από μέσα, αλλάζοντας ολοκληρωτικά την έννοια της ιατρικής. Οσον αφορά την πληροφορική, οι ερευνητές υπόσχονται νέες μεθόδους επεξεργασίας και αποθήκευσης, παχύρρευστες οθόνες που απλώς θα βάφονται σε ένα τοίχο, ακόμα και οργανικούς υπολογιστές με εντελώς διαφορετική αρχιτεκτονική από τους σημερινούς.

Αυτή η τεχνολογία, η οποία δείχνει να έχει ξεπηδήσει μέσα από την επιστημονική φαντασία, αποτελεί εντούτοις μια πραγματικότητα. Αν και δεν βρίσκεται στην πλέον εξελιγμένη μορφή της και σίγουρα δεν είναι άμεσα εφαρμόσιμη, αυτή η τεχνολογία είναι υπαρκτή. Η απαίτηση για χαμηλά κόστη δημιουργεί ένα ενδιαφέρον για συστήματα που θα αναπαράγουν τον εαυτό τους, ένα γεγονός που πρώτος το όρισε ο πατέρας της Κυβερνητικής Von Neumann στην δεκαετία του 1940. 

Αν το ρόλο ενός εργοστάσιου μπορεί να τον λάβει μια ομάδα νανομηχανών, βάρους μερικών κιλών, που θα κατασκευάζει κατ' αρχήν αντίγραφα του εαυτού της, τότε το κυρίαρχο ερώτημα θα είναι ποιος ελέγχει αυτή τη μάζα...