Út a nanovilágba

Az pásztázó elv lényege, hogy egy nagyon kicsiny ponton valamivel (fény, részecske) „megpiszkáljuk” a vizsgálandó anyagot, mire az valamivel, például elektronkibocsátással válaszol. Az elektronok számát (áramot) megmérjük. Ezt követően egy szomszéd ponton végezzük el ugyanezt, és így tovább. Az egyes jeleket megjelenítjük – például egy képernyőn sorba rendezve, s ezzel előáll a vizsgált anyag valamilyen tulajdonságának a „képe”. ĺgy fejlődött ki a pásztázó elektronmikroszkóp (Ruska, Nobel-díj, 1986) és a pásztázó alagútmikroszkóp (Binnig, Rohrer, Nobel-díj, 1986). A pásztázó alagútmikroszkóphoz évtizedek műszaki fejlesztése és egy nagy ötlet kellett: felismerni, hogy az ún. piezokerámiák zsugorodása-tágulása a ráadott elektromos feszültség függvényében reprodukálható és atomi méretű alakváltozást eredményez, azaz atomi méretű pásztázást tesz lehetővé. Ezt követően azután „elszabadultak” az ötletek, és mára már vásárolható pásztázó atomerő-mikroszkóp, pásztázó optikai mikroszkóp sok-sok változatban, pásztázó mágneses mikroszkóp, pásztázó (elektromos) kapacitás-mikroszkóp, amelyekkel vizsgálható a nanovilág.

Mindez nem teljesen idegen a mindennapi élettől sem. A korábbi lemezjátszóink „pick-up”-ja már valami ilyesmit csinált, de a számítógép rögzített mágneses adatainak kiolvasója, és különösképpen a CD-olvasók miniatűr lézere is nagyon hasonló elvet valósít meg.

Még izgalmasabbá tette mindezt, hogy egyik-másik módszerrel akár egyes felszíni atomokat meg lehet fogni, máshová tenni, vagy éppen a kívánt helyre „odalökdösni”.

MINIATŰR ÁRAMKÖRÖK

Gordon Moore, az Intel kereskedelmi igazgatója 1974 táján üzleti terv készítése közben vette észre, hogy a gyár képes évente megkétszerezni az egy chipen elhelyezett tranzisztorok számát. Arra tette le a garast, hogy ez még pár évig lehetséges lesz. Hogy harminc évig, azt maga sem gondolta. A Moore-törvényt először az USA félvezetőgyárainak konzorciuma kezdte professzionálisan vizsgálni a National Roadmap of Semiconductor Industries [A Félvezetőipar Nemzeti Útvonala] című tanulmányban, mert azt akarták megtudni, hogy mit kell annak érdekében tenni, hogy a trend folytatódjék. A nagy érdeklődés és a szakma multinacionalitása következtében, valamint amiatt, hogy a lehetőségek széles körű vizsgálata még nem veszélyezteti egyes cégek vezető pozícióját, e tanulmány egy-két évente korszerűsített tanulmánysorozattá bővült, ez az International Technology Roadmap of Semiconductors [A Félvezetők Nemzetközi Technológiai Útvonala]. A Roadmap nem sci-fi, tudós vélemények szerint reális. A kétévenkénti korszerűsítés programja pedig agresszív fejlődést takar: a mai koncepció már a 2015-ig terjedő időszakra van szabva.

A miniatürizálásnak nemcsak az azonnal látható előnyei döntőek (kis méret, kis fogyasztás stb.), hanem a megbízhatóság is megnő az integrációs fokkal. Minél többet zsúfolunk be az áramkörbe az emberi intelligenciából, annál ritkábban kell annak tőlünk, tévedni képes emberektől bármit is kérdeznie. Vannak véletlen események is: például ha az áramkör érzékeny részeibe radioaktív részecskék csapódnak, ezek elektronokat váltanak ki, ami a tranzisztorok áttöltődése révén egyszeri tévesztéssel (single event upset) jár. (A radioaktív szennyezés nem feltétlenül kozmikus vagy katonai eredetű: az olcsó áramkörök műanyag tokjában például jelentős tóriumszenynyezés szokott lenni, ami radioaktív lévén ugyanúgy kiválthatja a tévedést.) Mindennek a veszélyét azonban redundáns szervezéssel, többszörözéssel nagyrészt ki lehet küszöbölni. Persze a költségek hatványozottan nőnek – példaként összevethetjük egy repülőgép elektronikájának megbízhatóságát egy pár centes órachipével.

A miniatürizálás kérdése a Föld lakhatóságának fenntartása szempontjából is kulcskérdés: tízmilliárd ember léte csak rendkívül szervezett formában képzelhető el. Noha sokan még marginalizálják a megújuló energiaforrások szerepét, az évszázad végére jelentősnek kell lennie az atom/ fúziósenergia és a megújulók részesedésének. A napenergia az időnek akár több mint 70 százalékában is képes lehet ellátni az igényeket, „amikor a legnagyobb szükség van rá”. Ha a klímagépünk áramát helyben termeljük meg napenergiából, akkor nyugodtan járhat, nem okoz környezeti melegedést. A direkt napenergia felhasználásában az időeltolódás minimális, legfeljebb a nappal megtermelt energiával az éjszakákat melegítjük kissé.

NANOTUDOMÁNY KÜLÖNFÉLE TERÜLETEKEN

A nanoméretű számítógép olyan elvekre épül, amelyeknél valamilyen atomisztikus fizikai mennyiség veszi át a tranzisztor kapcsolószerepét. Ilyen lehet az elektronok spinje, ugrás a szupravezető-nem-szupravezető állapot között stb. A kvantumszámítógép megvalósítását befolyásoló legfontosabb törvény talán az ún. Pauli-féle kizárási elv. Ez azt mondja ki, hogy egy olyan kvantummechanikai rendszerben, ahol „érzik” egymást a részecskék (fermionok), nem lehet két részecske teljesen azonos állapotban, legalábbis a spinjeiknek különbözniük kell. Ez adta az ötletet ahhoz a géphez, a kvantum-sejtautomatához, amelynek az amerikai kifejlesztésében egy magyar tudós, Csurgay Árpád akadémikus is részt vett. Itt először egy fémpontokból álló rendszert hoznak létre egy szigetelő felületén oly módon, hogy a pontokra helyezett elektronok egymással vonzó-taszító kapcsolatban legyenek. Minden pontra két elektront helyeznek, melyek – taszítván egymást – átlósan helyezkednek el. Ha egy ponton átlökjük a rendszert, átbillen, mint egy dominósor. Ha az útvonalakat, összecsatlakozásokat különböző hosszúságúra készítjük, az ilyen sor képes algebrai feladatok (összeadás, szorzás stb.) végzésére. Persze csak nagyon-nagyon alacsony hőmérsékleten.

Más elvű, lényegében a mai tranzisztorokhoz hasonló gépet valósít meg a szén nanocsövekre alapozott integrált áramkör. A szén nanocsövet 1991-ben Iijima fedezte fel. Az ún. egyfalú változatban ezek keletkezése úgy képzelhető el, mintha grafitból egyetlen síkot lehasítanánk és csővé tekernénk. Az összetekerés módjától függ, hogy a keletkező nanocső fémes vagy félvezető tulajdonságú lesz-e.

A Magyar Tudomány című folyóirat októberi száma a nanotechnológiával foglalkozó tematikus szám, amelyben a hazai kutatások egy jelentős szegmensét sikerült megjeleníteni. A műszaki mikrotudománytól indulva az informatikai nanotudományon át a fizikai, optikai nanokutatásokon keresztül a kémiai és biológiai nanotudományig mutatja be a magyar eredményeket.

A kis országoknak célszerű a „réskeresés” stratégiáját követniük: meg kell keresni azokat a pontokat, ahol a saját eszközeinkkel mások által észre nem vett vagy más okból nem művelt területeken tudunk figyelemre méltót alkotni. Ilyen területnek bizonyult a lepkék szárnyán a fotonikus kristályok tulajdonságainak felfedezése, amit több külföldi napilap is közölt a tudományos oldalain. A mikromegmunkálás témája is olyan, ahol a hazai eszközök, lehetőségek elegendőek ahhoz, hogy figyelmet keltő eredmények szülessenek. Ezen az alapon jöttek létre azok a konzorciumok, amelyek az Európai Unió „Mesterséges szaglás” néven futó prioritásához vezettek. E program végcélja a kábítószer-, robbanószer-, környezetkárosító gázmolekulák mérése, azonosítása. Az egyik elv egy szabályozható mikrofűtőtestre alapozódik, amelyre katalitikus anyagok vihetők fel, és az égéshő mérésével lehet az anyagokat mérni, a katalizátorral azonosítani. A témában jelenleg egy hatelemű chip kifejlesztése folyik környezetvédelmi célokra (szeméttelepek kigőzölgésének figyelésére). A chipen egy új rendszerű, mikroméretű gázáramlásmérő is van, amely úgy méri az átszivattyúzott gáz mennyiségét, hogy egy ilyen fűtőtest hőimpulzussal kissé felmelegíti az alatta áramló gázt és egy – meghatározott távolságban létrehozott – hőmérőnek kialakított érzékelővel mérjük, hogy mennyi idő múlva ér oda a melegített gáz.

REÁLISSÁ VÁLÓ VĺZIÓK

A világ nagyon sok lehetséges és fantasztikus álmot álmodott meg a nanotechnológia terén. A bio-nanomotorok lehetősége például abban rejlik, hogy a biológiában a forgómozgás néhány célra kiállta az evolúció próbáját. Az ún. Adeozin-trifoszfát (ATPase) a sejtek energiaellátásának kulcsa. Ez a molekula kémiai energiát alakít forgómozgássá. Egy másik ilyen „bevált” forgás az E. Coli baktérium csillója (flagellum), a baktérium helyváltoztatásának eszköze. Ez a csóvává tekeredő fonalrendszer két irányban is képes forogni, és elviszi a baktériumot onnan, ahol „rosszul érzi magát”. Vonderviszt Ferenc személyében magyar kutató is részt vett abban a munkában, amely a csilló növekedését, működését vizsgálta Japánban. Modellkísérletek folynak a molekulának mesterséges nanomotorként való felhasználására. Az egyikben a molekula forgó rúdjára ültetnek egy pálcaalakú molekulát, amely együtt forog az ATPase-zal, a másiknál maga az ATPase-t dobja fel a felszabaduló energia.

Gyulai professzor kutatócsoportja biokompatibilis chipeket is készített már, például olyanokat, amelyek elektródáival csiga-neuronokat tudtak stimulálni hosszú időn át, azaz a neuron kellemesen érezte magát a tápoldatba merített chipen. A Genomics biochipjének előállításához is a félvezetők eszköztára kell, de a rögzített és aktivált fehérjék jelének detektálása fluoreszcenciával, optikai képfeldolgozással történik.

GONDOK, DILEMMÁK

Az emberiséget a fosszilis anyagok okozta energiabőség elkényeztette egy sok nagyságrenddel nagyobb termelékenységgel, mint amit a Nap-élet tenne lehetővé. A civilizáció eszközeit nem „növesztjük”, hanem „termeljük”. A termelés lényege, hogy – a minőségi követelmények határain belül – azonos („klónszerű”) termékeket állítunk elő, nagy tömegben, gyárakban.

zAz élővilág evolúciós fejlődésének lényege ezzel szemben az önreprodukció, és ha egy-egy kis hiba (mutáció) csúszik be, az új minőséget annak tartós, örökített fennmaradása teszteli. A mai ipar megbízhatósági követelményei óriásiak, az élővilág sokkal több hibával fejlődik. Gondoljunk például egy repülőgép elektronikájára – úgy, hogy éppen benne ülünk. A kiemelkedő minőségű (például katonai) áramköröknél legfeljebb minden 1010 elvégzett művelet esetén lehet egyetlen tévesztést tudomásul venni, de még ez sem jelent katasztrófát: a mai gyors számítógépek – a kormány tényleges elfordítására kiadandó parancsot megelőzően – akár sok százszor újra ellenőrizhetik a gyanús eredményt. Ezt a megbízhatóságot a nanotechnikai szimulációra kínálkozó élővilág aligha tudja produkálni.

Egy nanotechnológiai „termék” tesztje a természetes kiválogatódás gyorsított változatát igényelné. Azaz nem fogadható el, hogy arról a generációk sora („vevői elégedettség”?) döntsön. Minden nagy tudományos eredménynél fontos, hogy az alkalmazást megelőzze a gondos hatásvizsgálat, e szabály betartása azonban nem jellemzi az emberiséget. ĺgy folyamatukban kell az eredmények hatásairól meggyőződnünk. Vajon felkészültünk-e a mikroelektronika utáni időszak fejleményeire?

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.