Nanotech by the Numbers

I sitt trånga skåp på Nanomix, ett nanoteknikföretag i Emeryville, Kalifornien, tvärs över bukten från San Francisco, tittar den teoretiske fysikern Seung-Hoon Jhi på en datormodell av en vätebränsletank och följer noggrant rörelsen hos enskilda molekyler. När han höjer temperaturen på ett simulerat ark av bor- och kväveatomer från kyliga 50 Kelvin till något mindre kyliga 80 Kelvin, ser han reaktionen av en handfull vätemolekyler som prickar dess yta. Bornitridarket böljar, men ändå håller vätemolekylerna fast. Det är ett uppmuntrande tecken i ett virtuellt experiment som kanske bara har räddat veckor eller månader av noggranna experimentella tester i Nanomix försök att utveckla effektivare vätelagringsmaterial för bränslecellsbilar.

Det är cyberdreaming, förstås. Men Jhi och hans Nanomix-kollegor är så säkra på sanningshalten i denna datoriserade modellering, sammanställd från exakta beräkningar av individuella atomers beteende, att de använder simuleringarna för att designa och testa material som aldrig har gjorts tidigare - material vars ordning på nanometerskalan (en nanometer är en miljarddels meter) kan producera egenskaper användbara i applikationer som sträcker sig från ultrakänsliga sensorer till platta skärmar till smygbeläggningar för krigsplan. Längre ner i korridoren, mindre än 15 meter från Jhis skåp, är företagets experimentalister upptagna med att arbeta i labbet för att syntetisera de mest lovande resultaten av modelleringen.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Medan Nanomix bara är en av flera nystartade företag som hoppas kunna utnyttja nanomaterial, satsar företaget på att det har en fördel: skickligheten att både praktiskt utforma materialen - utan så mycket som att röra i en bägare - och sedan gå in i labbet och göra dem . Dess medgrundare - teoretiska fysikern Marvin Cohen och experimentfysikern Alex Zettl, båda från University of California, Berkeley - har samarbetat om sådan alkemi i över ett decennium. Nu hoppas de kunna utnyttja den kompetensen som grunden för en nanoteknikverksamhet. Vårt mål är att ha de första fungerande nanokomponenterna på marknaden, säger Nanomix vd Charles Janac.

Att designa material på datorer har frestat industriforskare i mer än ett decennium. I teorin är åtminstone idén enkel nog: med hjälp av kvantmekanikens regler är det möjligt att beräkna beteendet hos elektronerna som virvlar runt en atom. Med tillräcklig beräkningskraft bör man kunna använda sådana beräkningar för att designa ett material atom för atom, bygga in önskvärda egenskaper genom att justera den elektroniska profilen. Problemet är att materialens egenskaper är resultatet av interaktioner mellan ett stort antal atomer. Och även dagens mest kraftfulla superdatorer kämpar med kvantberäkningar som involverar mer än fem eller sex hundra atomer, vilket allvarligt begränsar förmågan att designa nya material.

Men nanomaterial, som ofta är isolerade molekyler - eller molekyler vars egenskaper härrör från begränsade interaktioner - gör ett mycket lättare mål för datorer. Faktum är att kvantmodellering på många sätt visar sig vara ett idealiskt sätt att utforska nanovärlden. Den prediktiva kraften hos nanomodellering, säger James Tour, en kemist och ledande nanoteknikforskare vid Rice University i Houston, visar sig vara enorm.

Nanomix tror att det är just denna förutsägelsekraft som gör det möjligt för den att revolutionera upptäckten av nanomaterial. Tack vare ett försprång från sina datorsimuleringar har företaget, som startade 2000, redan konstruerat små gassensorer som använder kolnanorör-molekyler bara några nanometer breda, med väggar som är en atomtjocka för att upptäcka farliga gaser. I slutet av nästa år planerar Nanomix att börja sälja dessa nanorörsbaserade sensorer för att upptäcka bensinångor som skyddar raffinaderier, kemiska anläggningar och pipelinestationer från läckor. Varje sensor bör kosta 10 gånger mindre än en konventionell läckagedetektor och fungera i ett år på ett klockbatteri. Länkade till trådlösa sändare som inte är större än frimärken, kan de bli utspridda i tiotusentals, täcka en industrianläggning - eller klämmas in i läckagebenägna ventiler för att illera ut bristande tätningar, något som inte är möjligt med mycket större och dyrare konventionella sensorer.

Samtidigt utarbetar Nanomix design för nya nanomaterial för lagringsmaterial för vätebränsle med en ännu större förmåga att lagra väte än bornitridskivorna på Jhis skärm. Om dessa material blir verklighet kan de dramatiskt öka prestandan hos bränslecellsbilar, och äntligen göra bilar som drivs med vätebränsle kommersiellt praktiska. Företaget har också börjat fundera över hur nya nanomaterial som nanorör kan användas i små datorenheter.

Nanomaterial för bränsleceller och nanodatorer kommer sannolikt att ta år att utveckla. Men Nanomix tror att dess plan att börja sälja sensorer och andra tidiga tillämpningar av nanotech kommer att göra det till en livskraftig verksamhet långt innan dess. Folk säger hela tiden att nanoteknik är långt borta, och det är i den meningen att det är en långsiktig trend som kommer att ha en enorm inverkan på världsekonomin. Men några av de tidiga ansökningarna är bara 18 månader bort, förutspår Janac.

Sensing framgång

Att uppfinna ett nytt material, säg en ny polymer eller metallegering, har aldrig varit lätt - och är ofta mer ett fall av serendipity än teoretisk design. Även vid ledande industriella anläggningar som DuPonts centrala forskningslabb, som har uppfunnit många av dagens viktigaste polymerer och högteknologiska material, är processen ofta en hit-or-miss-strävan som styrs mer av experimentalisternas instinkter än de beräknade förutsägelserna om teoretiker. På nanoskalan börjar dock forskarnas instinkter ofta att misslyckas, eftersom kvantvärldens märkliga regler tar över. Vi kommer in på områden där vår intuition, som ofta är baserad på våra tidigare erfarenheter, egentligen är ganska bristfällig, säger Ed Wasserman, vetenskapsrådgivare till DuPonts centrala forskning och utveckling.

Det är dock en plats där teoretiska kvantfysiker känner sig hemma - ett rike där de kan leka gud, skapa nya material genom att helt enkelt blanda runt atomer. En av dessa gudar är Nanomix medgrundare Cohen, en pionjär inom kvantmodellering. På 1960-talet hade Cohen insikten att eftersom det bara är en atoms yttersta elektroner som samverkar för att ge ett material dess egenskaper, är det möjligt att avsevärt förenkla de beräkningar som behövs för simuleringar genom att bara ta itu med dessa elektroner. Denna matematiska genväg revolutionerade kvantmekanisk modellering. Om du gör en helelektronberäkning är det nästan som att försöka hitta vikten på kaptenen på ett fartyg genom att väga fartyget och sedan väga kaptenen med fartyget, förklarar Berkeley-fysikern Steven Louie, en rådgivare till Nanomix. Genom att i huvudsak väga kaptenen direkt gör Cohens mjukvara det nu praktiskt att använda en PC för att snabbt få fram förutsägelser om nanomaterial med nya kombinationer av elektroniska, magnetiska och ljushanteringsegenskaper.

Men Cohen insåg också att sådana simuleringar bara är lika verkliga som kunskaperna hos experimentalisterna i korridoren. Så i början av 1990-talet började han samarbeta med Berkeley-kollegor, som Alex Zettl, som hade erfarenhet av att syntetisera nya material. Upptäckten och den faktiska syntesen av bornitridnanorör 1994 var en tidig framgång. Cohen, som funderade över atomstrukturen hos bornitridskivor, insåg att det borde vara möjligt att rulla ihop skivorna för att bilda cylindriska molekyler. Andra forskare hade nyligen gjort liknande molekylära rör av kol, men ingen hade utökat tekniken till bor och kväve. Cohen och hans elever startade upp sina modeller och beräknade att bornitridnanorör inte bara skulle vara stabila utan också uppvisa intressanta elektriska egenskaper. Inom ett år hade experimentalisten Zettl hittat ett sätt att göra de nya nanorören och bekräftade de förutspådda egenskaperna.

Ett snyggt vetenskapligt trick, förvisso, men hur gör man den typen av fysiktrollkarl till ett företag?

Den omedelbara utmaningen för forskare på Nanomix är att fullända de sensorer som Janac har lovat att börja sälja nästa år. Hittills har Nanomix teoretiker identifierat de specifika typerna av nanorör som skulle reagera mest känsligt på de kolväten som kan tränga igenom raffinaderier, kemiska anläggningar och rörledningar. De har också förutspått hur varje gas skulle förändra konduktansen genom rören, vilket ger ett spänningsfotavtryck som skulle identifiera den. Nu måste experimentalisterna ta reda på hur man masstillverkar de nanorörsbaserade enheterna. Och de måste leverera en produkt som är tillräckligt pålitlig för att skydda anläggningsoperatörernas liv.

Den typen av utveckling av ett nytt material kan lätt ta ett decennium. Men om Nanomix - med hjälp av sin modellering och teoretiska expertis för att genväga processen - kan dra av sig tricket under nästa år eller så, kommer det att validera sin strategi för nanouppfinning. Det kommer också att öppna dörren till en hel värld av sensorer. Till att börja med borde Nanomix kunna skräddarsy nanorörssensorer för att sniffa upp nästan vilken gas som helst, från kolmonoxid till föreningarna som används i kemiska vapen. Och företaget sponsrar akademisk forskning som syftar till att trimma nanorör för att känna av sjukdomens biokemiska dofter, mäta insulinnivåer hos diabetiker eller upptäcka antigener som indikerar infektion. Nanorör är den ultimata avkänningsplattformen, hävdar Janac. Du behöver inte mer än känslighet för en enda molekyl, din energiförbrukning kommer att vara nanowatt, och storleksmässigt kan du inte bli mindre - åtminstone inom en överskådlig framtid - än ett nanorör. Vi tror att vi kommer att revolutionera sensorbranschen med den här arkitekturen.

Nanodollar

Men tekniska utmaningar är inte den enda pressen som Nanomix står inför. Inte bara tävlar företaget om att få ut en nanoprodukt på marknaden, det måste slå konkurrensen till den relativt lilla poolen av riskkapitalfinansiering som är tillgänglig för nanotech-startups. Bland många experter kan spänningen över nanoteknikens framtidsutsikter växa, men investerarnas vilja att sänka pengar i mycket spekulativa tekniker växer inte alls lika snabbt. Vilket innebär att Nanomix, liksom ett antal andra unga nanotechföretag, måste kämpa inte bara för att svara på skrämmande vetenskapliga frågor utan helt enkelt för att överleva.

San Francisco-baserade Alta Partners gav Nanomix startfinansiering 2000, och från och med förra året hade Nanomix samlat in 4,5 miljoner dollar. Men sedan dess har det varit svårt att hitta ytterligare medel, eftersom riskkapitalister har blivit försiktiga efter förra årets ekonomiska krasch. Det har varit ett långt tag att få andra att investera, säger Alta-partnern Peter Schwartz.

Ironiskt nog är det just styrkorna hos Nanomix – en stark akademisk härstamning och teoretisk expertis – som kan handikappa företaget inför potentiella investerare som är försiktiga med ett område där resultat ofta låter mer som grundforskning än livskraftiga produkter. Och Nanomixs skara av teoretiker gör det särskilt lätt att missta företaget för ett grundläggande forskningslabb.

Trycket har fått Nanomix att lägga en kortsiktig tonvikt på produktutveckling på bekostnad av företagets ansträngningar inom teoretisk fysik. Men även om Cohen kanske accepterar den omedelbara nödvändigheten av att få en produkt utanför dörren för att vinna ekonomiskt stöd, är han fortfarande engagerad i sin dröm: ett företag som uppfinner och kommersialiserar nanomaterial genom att koppla kvantmodellering och teori med skickliga experiment. Det är en dröm fylld av exotiska material, begränsad endast av fysikens regler och dess utövares smarthet.

Liksom många nanoteknikforskare är Cohen och hans forskarkollegor på Nanomix övertygade om att nanomaterial kommer att ha tillämpningar inte bara inom avkänning och vätelagring, utan i elektroniska enheter som är tusen gånger mindre än dagens kiseltransistorer, vilket gör det möjligt för ultrasnabba, ultrasmå datorer. Lilliputiska kretsar med miljarder nanokomponenter kan fortfarande vara år i framtiden, men Nanomix-forskare tänker redan på nanomaterialen som kan få dem att hända.

Dölj