Wires of Wonder

Det var den typen av upptäckt som bara sker inom kemin en gång med några decennier – om du har mycket tur. 1985 gjorde Richard E. Smalley och flera medarbetare vid Rice University en form av kol som aldrig tidigare skådats. Arrangemanget av kolatomer i varje molekyl liknade en liten geodetisk kupol, så forskarna kallade materialet buckminsterfulleren efter arkitekten som hade populariserat formen. Med sitt snyggt strukturerade nätverk av atomer blev buckyball snabbt affischmolekylen för nanoteknik. Sedan i början av 1990-talet gjorde forskare en annan häpnadsväckande upptäckt: man kunde också göra ihåliga rör av samma kolstruktur. Kolnanorör hade många gånger styrkan hos stål, den elektriska ledningsförmågan hos koppar och var diametern på en DNA-molekyl. De var kort sagt perfekta material för att bygga och koppla nanovärlden.

Mer än ett decennium efter hans första upptäckt visar Smalleys entusiasm för de nya materialen inga tecken på att avta. Förra året var han med och grundade ett företag, Carbon Nanotechnologies, för att tillverka de kommersiella kvantiteterna av nanorör som gör det möjligt för andra labb att driva tekniken framåt och att utveckla applikationer. Men hans fortsatta spänning för fullerener (som den allmänna kategorin av dessa kolbaserade molekyler är känd) går långt utöver förväntan om framtida tekniska användningar. Smalley, utbildad spektroskopist, kemiprofessor vid Rice sedan 1976, är fascinerad av själva molekylerna. När Smalley tog emot 1996 års Nobelpris i kemi för fullerensforskning, kallade Smalley upptäckten för en av de mest andliga upplevelser som någon av oss i det ursprungliga teamet av [forskare] någonsin har upplevt.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Center for Nanoscale Science and Technology på 33 miljoner dollar, som Smalley etablerade 1995 och nu leder, ligger i utkanten av Rice campus i Houston som ett vittnesbörd om fullerenernas potential. Antalet forskargrupper vid nanoteknikcentret växer så snabbt att Smalleys eget labb har flyttat granne till tredje våningen i Rices Space Science Center. Technology Review biträdande redaktör David Rotman besökte nyligen Smalley för att fråga om framtiden för nanoteknik och höra varför Nobelpristagaren tycker att nanorör är så speciella.

TR: Hur har den ökade uppmärksamheten och finansieringen, såsom president Clintons 495 miljoner dollar nanoteknikinitiativ för 2001, påverkat nanoteknikområdet?

SMALLEY: Att få presidenten att prata om det har fått forskare och teknologer att börja lägga nano i sina förslag. De vet vad det nya modeordet är. Men mer imponerande för mig har varit hur denna idé har fått fäste hos dem där ute som ägnar sig åt vetenskap. Och jag får inte känslan av att det är konstgjord ställning. Kärndisciplinerna kemi och fysik har värmts till denna idé. En del av det har varit ett svar på finansieringen. Men jag tror att det verkligen finns en allmän uppfattning om att det verkligen finns något här. Kemin och fysiken har nu avancerat till den grad att du kan tänka på, och i vissa fall faktiskt bygga och göra experiment på, [nano] strukturer av tillräcklig komplexitet för att något nytt händer.

TR: Finns det en fara att nanotekniken, precis som många andra modeord, börjar förlora sin verkliga betydelse?

SMALLEY: Jag gillar ordet nanoteknik. Jag gillar det eftersom prefixet nano garanterar att det kommer att vara grundläggande vetenskap i årtionden; Tekniken säger att det är ingenjörskonst, något du är involverad i inte bara för att du är intresserad av hur naturen fungerar utan för att den kommer att producera något som har en bred inverkan. När du sätter ihop de två sakerna i ett ord finns det en spänning. När våra discipliner, särskilt kemi och fysik, har mognat, har vi nu att göra med saker på en mycket grundläggande nivå som har en praktisk betydelse.

TR: När du tittar på de olika arbeten som pågår inom nanoteknik, vad gör dig mest upphetsad?

SMALLEY: Jag måste erkänna att jag bara är besatt av kolnanorör. Det är svårt för mig att gå mer än 10 minuter utan att prata om dem. Jag tror att de är det coolaste som finns, och jag tror att de kommer att ha den största sannolika effekten. Men om jag bryter mig bort från det för ett ögonblick, tror jag att forskning på vad jag kallar våt/torr-gränssnittet är intellektuellt mest spännande för mig. Det kan vara så att om 20 år från nu kommer vi att se tillbaka och säga att vi har gjort enorma framsteg. Det jag kallar den våta sidan av nanoteknik är det cellulära livets maskineri. När vi lär oss att koppla samman detta naturliga maskineri med oorganiska, elektromekaniska strukturer och system konstruerade på nanometerskala (den torra sidan av nanoteknik), kommer stora nya gränser att öppnas både inom grundläggande vetenskap och inom praktisk teknik.

Med det sagt kan jag komma tillbaka och säga att nanorör kommer att vara oerhört viktiga för våt/torr-gränssnittet eftersom de tillför något nytt till spelet. Organiska molekyler [kolhaltiga molekyler som är grunden för levande varelser] är fantastiskt mångsidiga, men det finns vissa saker som de inte kan göra bra. Faktum är att det finns vissa saker som biologiska system ännu inte har kunnat lista ut, även efter fyra plus miljarder år. En sak är att leda elektricitet på det sätt som metaller gör. Andra är värmeledning och styrka och seghet. Ben är mycket imponerande, och så är tänder. Men de är inte stål, än mindre vad nanorör kan göra med styrka och konduktivitet. Så att kunna ta ett kolnanorör och få det in i det molekylära biologiska området – oavsett om det faktiskt är upplöst och är en av spelarna, eller som en sond, eller som en del av ett implantat, som en del av ett nytt membran – det är verkligen föra något helt nytt på bordet inom biologi. Nästan en främmande sak.

TR: En främmande sak eftersom...

SMALLEY: För att den leder elektricitet. Det ger de egenskaper som du inte kan få från andra organiska molekyler. Och det är fortfarande kol, så det har organisk kemi. Här är ett objekt som i en överlägsen grad har de aspekter som vi har mest centrala för den oorganiska världen: hårdhet, seghet, fantastisk styrka, termisk och elektrisk ledningsförmåga. Saker du bara inte kan göra med ben och trä. Men den är gjord av kol. Det är något som spelar spelet på samma nivå av perfektion som molekyler och liv.

Det finns elektricitet i biologiska system, men det beror på att joner rör sig över membran. Nerver fungerar genom elektrisk ledning; elektriska ålar har säkert elektricitet. Men den typen av elektricitet är annorlunda än den som går i ledningar och hus, går runt datorer, får radioapparater att fungera. Det är inte den typ av elektricitet som har att göra med att elektroner rör sig på ett konsekvent sätt över långa avstånd med liten förlust. Det är egenskapen hos metaller, hos oorganiska föreningar.

TR: Och nu kan nanorör föra den här typen av elektricitet till biologiska system?

SMALLEY: Ja. De tar med sig till molekylärbiologin, till de saker som går i höjden på natten inuti en cell, en ny leksak att leka med - något som leder elektricitet.

TR: Vilka blir de nya leksakerna?

SMALLEY: Håll utkik för nästa årtusende så får vi se. Jag skulle kunna ge några exempel, men de verkar ganska fotgängare och ad hoc. Fram tills du lägger till något sånt här till mixen finns det inget sätt att levande cellers otroliga maskineri kan konstruera något som kan leda elektricitet med metalls effektivitet. Här har vi en [organisk] molekyl som kan göra det. Jag tror inte att någon är smart nog att förutsäga de stora konsekvenserna av det. Men Herren vet hur många år det kommer att ta innan nanorör är en del av levande celler. Innan dess kan vi använda nanorör som sönder i celler, som sönder för att detektera molekylernas struktur, för att sekvensera DNA. Det här är underbara nya kablar för att göra det.

TR: Vilka projekt arbetar du och din grupp med nu?

SMALLEY: Det enskilt största fokuset är att tillverka nanorör. Det är vad det här företaget initialt handlar om, att slå på tappen så att forskare runt om i världen ska ha tillgång till de mest orörda kvalitetsrören som vi kan göra i stora mängder till låg kostnad. Vi vill göra nanorör tillgängliga till en tillräckligt låg kostnad för att låta din fantasi flöda. Dessa rör finns i tre typer: metaller [utmärkta elektriska ledare] och två typer av halvledare. Jag vill producera dem med tillräckligt hög effektivitet för att jag ska kunna leverera ett kilo av en viss tub.

BARN : Så du vill göra nanorör mer allmänt tillgängliga. Andra grupper tittar på nanorören strikt ur tillämpningssynpunkt. Vilka är några av de intressanta applikationerna de arbetar med?

SMALLEY: Inom den närmaste tiden ser det ut som att en applikation kommer att visas på [plattskärm]. Ett antal företag har redan prototypskärmar som använder nanorör. Jag kommer inte bli förvånad om du ser skärmar som använder nanorör på marknaden inom några år.

Ett annat område som kommer att vara snabbt är som tillsatser i teknisk plast [används i strukturella eller högteknologiska applikationer som datorhölje]. Du kan ge upphov till antistatiskt beteende även vid mycket, mycket låga nivåer av nanorör, och skärmning för EMI [elektromagnetisk störning: sådan skärmning används för att skydda bärbara datorer och annan bärbar elektronik] på mycket måttliga nivåer. Till skillnad från allt annat du lägger till polymerer för att göra dem antistatiska eller för EMI-skärmning, kommer detta förmodligen att öka den tekniska plastens seghet och styrka. Jag förväntar mig också att du inom några år kommer att hitta kommersiellt tillgängliga nanorörstips på atomkraftsmikroskopsonder. Användning i nanotekniska prylar i allmänhet förväntar mig att verkligen blomstra under de närmaste fem åren eller så.

Det vi skulle vilja se är att verksamheten utvecklas så att det finns ekonomiska incitament att bygga en stor [tillverknings]process och få ner priset långt. För närvarande är kostnaden för nanorör cirka 500 dollar per gram. Beräkna siffrorna. Det är nästan 230 000 dollar per pund. Med tiden kommer det här att tillverkas som en bulkvara närmare $10 per pund eller till och med under det. Men du måste bygga en anläggning, och marknaden måste finnas där ute. Den takt med vilken verksamheten utvecklas är starkt beroende av dessa tidiga marknader.

TR: Förhoppningen är att när du får ut mer och bättre material så kommer applikationerna att öppnas upp?

SMALLEY: Det är rätt. Och detta nästa år kommer att bli en verklig vattendelare eftersom vår process kommer att lägga ut minst 10 kilo till forskarsamhället. Den totala produktionen av enkelväggiga nanorör av vilken kvalitet som helst har fram till denna tid förmodligen varit mindre än ett kilo.

TR: Naturligtvis uppfyller ingen av dessa kortsiktiga tillämpningar verkligen det enorma löftet om nanorör, eller hur? Som att fungera som en elektrisk ledare i en biologisk miljö?

SMALLEY: Och det jag pratade om tidigare var bara på gränssnittet vått/torrt. Sedan kommer du tillbaka till den torra sidan. Det finns en galen utkant av nanorörvärlden som vi inte har pratat om ännu. Under det kommande året kommer det att finnas i mitt labb, och jag misstänker i många runt om i världen, en stor insats för att utveckla sätt att spinna kontinuerliga fibrer-makroskopiska fibrer-av nanorör med en hög grad av orientering [nanorören skulle vara inriktade som okokta spagetti i en låda]. Jag tror att det kommer att bli framgångsrikt, och det kommer att bli något speciellt.

I en riktning är nanorör det starkaste jävla du någonsin kommer att göra i universum och är utmärkta elektriska ledare; i den andra [vinkelräta] riktningen är de diskettiga och den elektriska ledningsförmågan är ganska dålig. Så i material där du vill ha elektrisk ledning bryr du dig om hur väl nanorören är inriktade. Jag tror att det kommer att vara möjligt att göra kontinuerliga fibrer av nanorör i en effektiv spinnprocess som kommer att få alla rören i linje. Jag skulle inte kalla det den galna kanten; Jag tror att det kommer att hända. Men låt oss nu prata om den riktigt galna extremen. Tänk om dessa spunna fibrer var, istället för en mikrometer långa, en kilometer långa?

TR: I teorin skulle du kunna göra nanorörsfibrer en kilometer långa?

SMALLEY: I teorin kan du göra dem till Alpha Centauri. Vad skulle vara styrkan hos en lång fiber? Du skulle ha den starkaste jävla sak som någonsin gjorts i universum. Kan vi någonsin göra det? Och vad skulle det vara för nytta? Om du kunde göra det billigt och en sammanhängande längd, skulle du kunna göra den längsta hängbro du någonsin hört talas om, hissar i rymden. Men bucky-kablar skulle också vara fantastiska ledare av elektricitet. Det är den logiska ersättningen för alla kraftöverföringskablar i världen. Det är i den galna kanten, men jag kan säga det eftersom jag är en förespråkare för det.

TR: Som ni vet har det skett en växande ansträngning att använda organiska molekyler som små omkopplare i nanoelektroniska enheter ( ser Molecular Computing , TR maj/juni 2000 ). Vilken roll förväntar du dig att nanorör kommer att spela inom molekylär elektronik?

SMALLEY: På lång sikt verkar det som om de måste komma på plats eftersom de är nano och de leder elektricitet. Huruvida de kommer att räkna in nanoelektroniska prylar under det kommande decenniet, tror jag inte att någon är smart nog att veta. Faktum är att ingen är smart nog att veta om det kommer att finnas några nanoelektroniska prylar under det kommande decenniet. Men de flesta är överens om att om du var tvungen att välja den elektriska ledaren inom nanoelektronik så kommer det till slut att bli ett nanorör. Vi måste bara hålla oss uppdaterade för att se hur snabbt det händer.

TR: För närvarande är till och med något så enkelt som att placera ett nanorör där du vill ha det fortfarande en utmaning, eller hur?

SMALLEY: Vi är verkligen barn, inte ens barn, bebisar, i att förstå hur nanorör fungerar.

TR: Ändå tänkte jag på hur snabbt nanoteknikområdet har rört sig. När jag intervjuade dig för några år sedan pratade vi mycket om hypen kring nanoteknik. Nu, med fler och fler seriösa forskare som engagerar sig, verkar det ha gått längre än så.

SMALLEY: Det var nyckelfaktorn, seriösa forskare som engagerade sig som är långt borta från nanobotar [robotar i nanoskala ingår i många spekulativa visioner av nanoteknik]. Vi har inte riktigt slutfört uppgiften att de-nanobotta fältet. Men huvudpoängen är att nanoteknik är så viktig att vi inte vill att den ska förknippas med bara nanobotar. Huruvida de någonsin kan hända eller inte är en annan fråga, men det finns en så mycket bredare verklighet för nanoteknik - och på sätt en mycket mer intressant sådan.

Dölj