Nanotech: Art of the Possible

I George M. Whitesides arbetslinje mäts saker i nanometer. En nanometer är en miljarddels meter, och för att få en känsla av hur liten den är, glöm analogierna till bredden på ett människohår eller huvudet på en nål. Nanoskalan har ingenting att göra med bekanta föremål. Du måste tänka på en plats där föremål - inklusive enheterna som Whitesides och andra arbetar med - bara är något större än atomer.

Att bygga saker i den skalan kallas nanoteknik. Det är ett snabbt växande område med enorm potential; små enheter kan revolutionera datoranvändning, informationslagring, kommunikation och hur många oförutsedda områden som helst. Men det är också ett område som är utsatt för överdrivna löften, med spekulationer om nanomaskiner som är mer sannolikt att hitta i Star Trek än i ett laboratorium.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 1998

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Whitesides, en framstående kemist och materialvetare, har utforskat denna mycket lilla värld i flera år. Efter nästan 20 år på MIT gick Whitesides till Harvard Universitys kemiavdelning 1982. Harvardforskaren har försett mikro- och nanotillverkning med några av dess mest användbara konstruktionstekniker. Men Whitesides håller också en vältränad verklighetskoll på nanovärlden. Trots sin uppenbara entusiasm för fältet, är han inriktad på att definiera vad som är och vad som inte är möjligt.

BARN Seniorredaktör David Rotman besökte nyligen Whitesides, Mallinckrodt-professor i kemi vid Harvard, på hans kontor i Cambridge för att reda ut fakta från science fiction inom nanoteknik.

TR: Låt oss börja med en grundläggande fråga. Hur litet kvalificerar sig för nanoteknik?
VITA SIDA: Standarddefinitionen är funktionella strukturer som har funktionsstorlekar mindre än 100 nanometer, men jag tror att antalet förmodligen borde vara 50 nanometer eller mindre.

TR: Varför är nanoteknik så spännande?
VITA SIDA: Det är en förlängning av mikroteknik. Och mikroteknik är grunden för att tillverka datorkomponenter, och det är en mycket stor sak. Mikroteknik har kommit överens i flera år med tanken att att göra saker mindre ger fördelar - de är billigare, du får mer portabilitet och mer prestanda per dollar. Tanken är att eftersom smaller har arbetat med mikroelektronik kan du fortsätta den trenden bortom de nuvarande storlekarna inom mikroelektronik, och denna krympning tar dig in i den värld som kallas nano.

TR: Vilka specifika tekniker kan komma ut ur ett sådant arbete?
VITA SIDA: Ett bra exempel är informationslagring. Just nu är storleken på en plats på en CD-skiva i storleksordningen 10 kvadratmikrometer. Människor, särskilt IBM-folket, har gjort CD-ekvivalenter som använder gropar på en snurrande skiva, men groparna är nu 50 nanometer stora. Du skulle kunna få, i något som är lika stort som ett armbandsur, motsvarande kanske 1 000 CD-skivor. Det börjar närma sig en bråkdel av det referensbibliotek som du behöver för ditt liv. Det väcker intressanta frågor: Vad händer när du kan lägga all information du behöver för en stor del av ditt liv på ditt armbandsur, istället för att faktiskt behöva lära dig det? Det är en av de idéerna som ändrar lite på uppfattningen om hur ett liv ska ledas. Du kan ta de idéerna och extrapolera dem. Du sätter ett mikro- eller globalt positioneringssystem på ditt armbandsur, så att du vet var du är. Du kan ha förmågan att lokalisera dig själv, göra beräkningar, använda information, kommunicera.

TR: Var är vi när det gäller att faktiskt inse några av dessa saker?
VITA SIDA: På stadium av laboratorieprototyper. Folk har gjort små cd-skivor, men de är inget som man kan använda utanför laboratoriet. Det kommer att bli mycket svårt att utöka tillverkningsmetoderna som människor nu använder för att göra dessa små strukturer till allt som verkligen är tillverkarbart, men det kommer att hända.

TR: Hur stor utmaning är detta?
VITA SIDA: Vi har en principdemonstration från mikroelektroniken att om man kan göra saker mindre så hittar folk massor av spännande saker att göra med dem. Just för tillfället kan vi göra små saker i laboratorier, men vi vet inte hur man gör riktigt små saker i en massa i en tillverkningsmiljö. Och vi vet inte hur vi ska använda dem när vi väl har gjort dem. Tills det tillverkningsproblemet är löst kommer vi inte att veta vilka saker som kan göras, och vi kommer inte att veta hur tekniken kommer att se ut.

TR: Fotolitografi som använder ultraviolett ljus för att etsa ut mönster på kiselchips är den dominerande tekniken för att göra mikroelektronik på mikrometerskalan. Men, jag antar att du inte ser att det har någon större framtid när det gäller nanoteknik?
VITA SIDA: Fotolitografi har varit mycket framgångsrik. Vi har haft en underbar körning med den här tekniken, och det finns all anledning att tro att detta kommer att fortsätta ett tag till. Men nu börjar du gå tillbaka lite och säga, ja, det är svårt att gå under 100 nanometer, och du kan inte bygga 3D-saker. Det fungerar verkligen inte för många andra material än silikon och sånt. Vi skulle vilja göra saker små så att de kan vara snabba och billiga och bärbara och inte strömförbrukande. Hur gör vi det?

TR: Vilka är några av alternativen?
VITA SIDA: Den ena är elektronstrålar, en utföringsform av vilka är Skalpell. [Scalpel är ett system utvecklat vid Lucent Technologies Bell Labs som använder elektronstrålar för att mönstra kiselwafers]. En annan utmanare är röntgenlitografi [denna process använder röntgenstrålar för att mönstra wafers]. Båda har många mycket svåra tekniska problem, som vi antar kommer att lösas mer eller mindre, men om de är riktigt billiga nog är en annan fråga. Och sedan kommer det nyare teknologier som jag tror är lagliga långa bilder, som litografi med neutrala atomer eller jonstrålar. Det är för tillfället ett riktigt hästkapplöpning om vilka teknologier som kommer att användas inom nanoteknik. Men det här är bara början.

TR: Är begränsningarna inom fotolitografi tillräckligt grundläggande för att driva ett helt nytt teknikområde för tillverkning av mikroelektronik?
VITA SIDA: De kan vara. Fotolitografi blir mycket komplicerad och mycket dyr. För den nya generationens fabriker [tillverkningsanläggningar för tillverkning av halvledarchips] som nu planeras för åren efter 2000, beräknas kapitalkostnaden per fabrik till 3 till 10 miljarder USD. Om du vill ha 20 procent avkastning på investeringen, och du sätter in 10 miljarder dollar, hur många mikrowidgets måste du sälja varje år under de få år som den där faben är toppmodern? Svaret är, mycket. Och folk som måste lägga upp pengarna gillar inte det.

TR: Så det är fortfarande en fråga hur mycket små saker kommer att göras. Vad är några av de andra okända om nanoteknikens framtid?
VITA SIDA: Det finns problemet att enheterna, när du kommer ner till verklig nanoskala, inte längre fungerar som förväntat baserat på extrapolationer av befintliga enheter. Man får lite olika åsikter om hur långt befintlig teknik kan extrapoleras. Min gissning är att man kan ta befintliga system och extrapolera dem till någonstans i området 50 till 100 nanometer. När du börjar få ledningar, transistorer och andra komponenter närmare varandra börjar de prata med varandra, och denna överhörning blir ett mycket allvarligt problem. Egenskaperna hos de använda basmaterialen - dopat kisel - blir också svåra att kontrollera.

TR: Utöver att krympa mikroelektroniken mindre och mindre, har det pratats mycket om att använda nanoteknik för andra, mekaniska, typer av applikationer.

VITA SIDA: Det finns många saker som sträcker sig från att vara potentiellt verkliga till saker som är science fiction. Det finns idén om väldigt små autonoma maskiner som simmar runt i blodomloppet eller något liknande. Jag kan inte se något sätt att förverkliga dem. Anledningen är att, förutom problemen med att bygga dem, finns det fruktansvärda problem med makt i allt som är ett autonomt system. Det måste finnas någon riktigt djup uppfinning innan någon kommer på hur man driver små autonoma system. Vi har exempel på drivna system: till exempel levande celler eller organeller i cellen. Men cellen är faktiskt inte ett litet föremål. Däggdjursceller är cirka 25 mikrometer i diameter och även bakterieceller är 1 till 3 mikrometer. Virus, som är mycket mindre, drivs inte. Så makt är en grundläggande fråga. Friktion i små rörliga system är en sekund. Tillverkningen är en tredjedel.

TR: Tror du att några av dessa applikationer har blivit överhypade?
VITA SIDA: Vad Eric Drexler [K. Eric Drexler är forskare vid Institute for Molecular Manufacturing i Palo Alto, Kalifornien; hans bok Engines of Creation hjälpte till att popularisera nanoteknik] och andra gör är att konstruera en serie idéer baserade på att göra befintliga saker mindre. De säger att om du har en stor rotorooter, varför inte ha en liten rotorooter?

TR: Men det är helt klart fallet där bara för att de är mindre...
VITA SIDA: De är inte nödvändigtvis bättre. Mindre är inte nödvändigtvis alltid bättre.

TR: Och de fungerar inte alltid som bara en mindre kopia.
VITA SIDA: Höger. Inte bara är de inte nödvändigtvis bättre, särskilt om de är dyrare, men de kanske inte fungerar med samma principer. Vilket betyder att för riktigt små strukturer måste vi antagligen uppfinna nya arkitekturer och nya sätt att tänka kring problemet, så att vi kan hantera dessa små maskiners egenheter. Och naturligtvis är en av de intressanta frågorna, var ska det vara värt mödan att göra maskiner som verkligen är väldigt små?

TR: Om vi ​​hade det här samtalet om fem eller tio år från nu, några gissningar vad vi skulle prata om?
VITA SIDA: Jag tror att vi kanske har ett lite annorlunda samtal. En som handlar mindre om hur nanoteknik har förändrat världen och mer om hur billig mikroteknik har förändrat den. Just nu reserverar vi världen av mikrotillverkningsstrukturer mellan flera hundra nanometer och ett par mikron [en mikron är en mikrometer, en miljondels meter] - för elektroniska mikroprocessorer och datorsystem. Det är en mycket berättigad fråga att fråga vad som händer när man utökar många saker som nu tillverkas i centimeter- och millimeterskala till mikrometerskalan, och vilka nya funktioner får man?

TR: Vad har du i åtanke?
VITA SIDA: En fras som jag använder är mikronskalateknik med tidningspappers ekonomi. Till exempel, istället för att köpa en tidning, kan du köpa ett pappersark; baksidan av den skulle vara ett batteri, framsidan av den skulle vara en display. Du läser den, bläddrar för att hitta referensverk om den, ser animerade illustrationer och när du är klar slänger du den. En av de saker som vi kanske pratar om om 10 år är hur elektronik i mikron som använder ny teknologi har smugit sig in i alla möjliga saker. Min övertygelse är att nästan allt - skor, fönster, barnleksaker, matetiketter, fraktetiketter, kreditkort - kommer att ha elektronik om några år.

TR: Du nämner ofta biologi och naturliga system. Vad säger biologin dig om nanoteknik?
VITA SIDA: Biologi gör alla möjliga mycket funktionella små strukturer. Drexler talar om små motorer; vi har ett fantastiskt exempel på en liten motor inom biologi, som är flagellmotorn i bakterier. Denna motor fungerar verkligen mycket bra, och den ser faktiskt mycket ut som en motor. Kan vi antingen lära oss att använda dessa biologiska saker på något lämpligt sätt i våra enheter, eller förstå biologins principer bättre och sedan lära oss hur man bäddar in dessa principer i icke-biologiska system? Ett annat exempel är sensorer. Mycket av det som görs i alla biologiska system är avkänning. Näthinnan, näsan, alla dessa är beroende av molekyler som är sensorer i nanoskala. Hur kan vi använda dessa idéer för att bygga konstgjorda ögon och näsor?

TR: Säger biologin dig något om de kommande utmaningarna?
VITA SIDA: Vi består av en hierarkisk uppsättning strukturer och komponenter. Vi har molekyler på nanoskalanivå samlade till organeller, som är 10 nanometer till kanske 100 nanometer, samlade och arbetar kollektivt i celler, som sedan aggregeras till vävnader som blir oss. En av frågorna inom elektronik är att vi bara arbetar i två skalor. Transistorer och samlingar av transistorer - och det är enheten. Men för att dra full nytta av nano, måste vi tänka på den fullständiga hierarkin av strukturnivåer.

TR: Vilka är några av de större lärdomarna som din forskning inom nanoteknik har lärt dig?
VITA SIDA: Den ena är uppfattningen att funktion ofta är hierarkisk och prioriterad. Molekyler gör vissa typer av saker, objekt som är 10 nanometer gör vissa olika sorters saker, objekt som är 100 nanometer gör ännu andra olika sorters saker. För komplex funktionalitet måste man lära sig hur man bygger från små bitar till stora objekt och drar nytta av var och ens unika möjligheter. Det andra är att det finns fenomen som är storleksspecifika. En av de saker som man gör i vilken skala som helst är att leta efter jämförbarhet mellan fenomenet som du tittar på och objektet. När du ser att fenomenet och strukturerna har liknande storlekar finns det intressanta saker du kan göra. Det tredje är att det för nanometerskalan i synnerhet inte finns något rikare lager av intressanta idéer och strategier än biologi.

Dölj