Frank van Hertrooij
Scivolemo 13 Decembro 2017
Pliaj artikoloj
Per sia prelego ”Plenty of room at the bottom” (Sufiĉe da spaco je la profundo), la Usona fizikisto Richard Feynman enkondukis la tute novan studkampon de nanoteĥnologio. Li parolis pri la avantaĝoj kaj problemoj de la fizikaj leĝoj kiam oni studas la plej etajn strukturojn kaj antaŭvidis novan epokon. Preskaŭ sesdek jarojn poste onia kompreno de nanoteĥnologio multe kreskis. Oni sufiĉe proksimas al la antaŭvidoj de Feynman kaj trovis multajn aplikojn. Onia plej granda ekzemplo tamen restas la naturo, kiu jam dum miliardoj da jaroj uzas strukturojn je nanoskalo en vivantaj organismoj por plenigi la plej diversajn celojn. Kio tamen estas nanoteĥnologio kaj kial ĝi estas utila?
La vorto nanoteĥnologio enhavas la sufikson “nano-”, kiu indikas miliardonon en la internacia sistemo de mezurunuoj. Nanometro do estas miliardono de metro (1nm=10-9m). Nanoteĥnologio do produktas diversajn strukturojn kiuj tiom etas ke oni mezuras ilin per nanometroj. Ekzemplo de objekto tiom eta estas la plej ofta fulereno: sfera molekulo el sesdek karbonaj atomoj, ordigitaj kiel piedpilko. Ĝia diametro estas ĉirkaŭ centmil fojojn tiom eta kiel vera piedpilko, kiu estas ĉirkaŭ centmil fojojn tiom eta kiel la Tero. Nanoteĥnologio do temas objektoj kiuj estas tiom etaj kompare al piedpilko, kiel piedpilko kompare al la Tero. Tio estas nekredebla malgranda.
Novaj specoj de teleskopoj
La unua problemo kiun oni fontu kiam oni volas labori tiom precize estas la kvalitoj de lumo. Mikroskopoj funkcias pro tio ke lumo reflektiĝas kontraŭ surfaco. Tiun lumon oni povas poste vidi aŭ foti. La sistemo funkcias tre bone kiam oni volas rigardi etajn objektojn kiel insektojn aŭ eĉ ĉelojn, sed kiam objektoj iĝas tro etaj, oni trafas muron. La objektoj kiujn oni studas neniam povas esti pli etaj ol la lumo mem kaj lumo havas mezureblan grandecon. Lumo estas elektromagneta ondo kun specifa ondolongo. Tiu ondolongo korespondas al la koloro de la lumo kaj estas mezuro de kiom da energio la lumo havas. Blua lumo havas multe da energio kaj mallongan ondolongon kaj ruĝa lumo havas malmulte da energio kaj longan ondolongon. Tamen eĉ la plej energia videbla lumo estas purpura kun ondolongo de almenaŭ 380nm. Oni do neniel povas uzi videblan lumon por rigardi objektojn de kelkaj nanometroj. Feliĉe oni elpensis solvojn por tio.
La plej intuicia solvo estas uzi pli energian lumon ekster la videblan spektron, kiel ikso-radiojn. Tiaj radioj estas malpli taŭgaj por mikroskopoj tamen, pro tio ke ili ne tiom facile fokusigeblas kiel videbla lumo kaj ĉar ili danĝeras. Multe pli praktikaj estas elektronoj. Tre grava parto de kvantumteorio estas la ligo inter partikloj kaj ondoj, kiu priskribas kiel elektronoj povas agi kiel ondo. Tiukaze la ondolongo dependas de la rapideco de la elektrono, kiu facile ŝanĝeblas. Tio igas la rezolucion, kiom etajn aferojn oni povas distingi, sufiĉe alta por nanoteĥnologio. Tria metodo uzas tre akran najlon kiu moviĝas tre proksime super la materialo. La atomoj de la materialo kaj la najlo interagas, kio kaŭzas tre etajn elektrajn fluojn en la najlo. Tiujn fluojn oni povas mezuri kaj interpreti kiel diferencojn de alteco sur la materialo. Tio donas al oni sufiĉe da iloj por vidi kion oni faras.
La naturo ĉesas esti intuicia
Alia granda diferenco, kiu povas esti kaj avantaĝa kaj malavantaĝa, estas ke fiziko funkcias malsame je malsamaj skaloj. La leĝoj estas samaj, sed kelkaj efikoj iĝas pli etaj kaj aliaj pli grandaj. Ekzemplo de tio estas ke planedoj kaj celoj estas regataj de gravito, sed atomoj de nukleaj kaj elektraj fortoj. Unue indas rigardi kiel grandecoj ŝanĝiĝas. Kiam oni malkreskigas kubon, ne ĉiuj kvalitoj malkreskas same rapide. Kubo de 2m havas longon de 2m, surfacon de 24m2 kaj enhavon de 8m3, sed kubo de 1m havas longon de 1m, surfacon de 6m2 kaj enhavon de 1m3. Iĝas klara ke surfaco pli rapide malkreskas ol longo kaj ke volumo malkreskas plej rapide. Oni povas vidi tion en la naturo. Eta muso produktas relative pli da varmo ol baleno, pro tio ke ĝi perdas relative pli da varmo pro ĝia surfaco. Grandeco estas do pli efika, ĉar oni bezonas malpli da energio. Bestoj surtere ne iĝas tiom grandaj kiel balenoj, pro tio ke ankaŭ pezo dependas de volumo, do la diametro de la ostoj kreskas multe malpli rapide ol la pezo, kiu rompas ilin. Tial la ostoj de dinosaŭroj ne estis tute plenaj, kiel tiuj de mamuloj, sed enhavis aeron. Pro la sama kialo aviadiloj bezonas relative pli da flugila surfaco por krei sufiĉe da forto supren kiam ili estas pli grandaj, ĉar la surfaco de la flugiloj kreskas malpli rapide ol la volumo kaj pezo. Ankaŭ la kvalitoj de la medio ŝanĝiĝas. Akvo agas multe pli ”siropeca” al etaj objektoj, do oni ne povas naĝi same kiel fiŝo. Tial multe da bakterioj moviĝas per flageloj: etaj vostoj kiuj rondiras kiel korktirilo. Inverse, flageloj tute ne estus efikaj por fiŝoj. Al insektoj el la familio Mymaridae, aero estas tiom siropeca ke ili naĝas per haraj antenoj anstataŭ flugi.
Tiuj ŝanĝoj povas esti defio, sed ankaŭ avantaĝo. Se oni povus tranĉi kubon de unu metro ĝis oni havus kubetojn de unu nanometro, ili kombine havus surfacon de 6000km2. Tio estas tre bona por ĥemiistoj, pro tio ke la surfaco de oniaj ĥemiaĵoj plirapidigas la reagon. Ekzemplo de tio estas ke ligna pulvoro multe pli facile brulas ol arbo.
Konstrui nanomaterialojn kaj aplikoj
Elpensi materialojn kaj havi taŭgajn mikroskopojn certe estas grava paŝo, sed ili ne kreas nanomaterialojn. Por tio oni bezonas aliajn ilojn. Ekzistas du ĝeneralaj strategioj, nome de supre suben kaj de sube supren. La unua signifas ke oni komencas per pli grandaj materialoj kaj kreas ion etan. Ekzemplo de tio estas integraj cirkvitoj kiujn oni kreas per kovri silicion per travolo, kiu reagas kun lumo. Kiam oni tre precize igas lumon brili sur la travolon, parto de ĝi iĝas solvebla kaj parto ne. Oni poste povas forigi la solveblan parton kaj forigi la silicion sub tiu travolo per akvaforto. Tiel oni povas krei cirkvitojn kun precizeco de ĉirkaŭ 500nm. Pro tio ke la grandeco de transistoroj en integraj cirkvitoj influas la kapablojn kaj kostojn de komputilo, oni eksperimentas per radio kun malpli altra ondolongo. Tiel oni povus igi la detalojn eĉ pli etajn. La dua strategio estas ke oni kreas kompleksajn strukturojn el bazaj eroj kiel atomoj aŭ molekuloj. Feynman ŝercis ke iam oni eble ne plu bezonos ĥemiistojn, pro tio ke oni povos krei ĉian ajn molekulon per kunmeti individuajn atomojn anstataŭ per ĥemiaj reagoj. Restas ankoraŭ multe por fari por atingi tiun celon, tamen, sed tio ne signifas ke tio kion oni kreis ne estas mirinda. Oni kreis moviĝantajn molekulojn kaj eĉ nano-aŭtojn, kiuj povas veturi trans surfacoj, kaj multe pli utilajn aferojn kiel kristaletoj kiuj povas elsendi lumon depende de iliaj diametroj, kaj esti uzataj en televidoj. La plej bona ekzemplo de nanoteĥnologio de sube supren estas DNA. Per tiu molekulo, la korpo povas krei la plej diversajn proteinojn kun unikaj strukturoj kaj funkcioj. Eĉ la strukturo de la tuta korpo konserviĝas en DNA. Homoj ne povas krei molekulon kun tiom da kapabloj kiel DNA, sed oni ja povas adapti ĝin. Oni igas bakteriojn krei kiajn ajn proteinojn oni bezonas kaj oni eĉ eksperimentas per DNA kiel konservilo de datumoj. Malpli utile, sed tamen mirinde estas ”DNA-origamio”, kiun sciencistoj kreis per ŝanĝi la DNA-kodon tiel, ke ĝi faldiĝis ekzakte je la ĝusta loko.
Nanoteĥnologio povas plibonigi la kvalitojn de ekzistantajn materialojn kaj krei tute novajn formojn de materialoj. Jam dum jarcentoj karbono estis konata laŭ du fiksaj strukturoj: diamanto kaj grafito. La du specoj de karbono agas tute malsame ĉar la atomoj estas malsame ordigitaj. En grafito, la atomoj estas konektitaj en travoloj. Tiuj travoloj estas sufiĉe fortaj, sed la ligoj inter la travoloj ne estas. Oni uzas grafiton en krajonoj, pro tio ke la materialo perdas travolon post travolo kaj tiel estas sia propra inko. Diamanto havas multajn ligojn en tri dimensioj. Tial ĝi estas tiom malmola kaj ne facile rompiĝas. Ankaŭ la interagoj de diamantoj kun lumo estas rezulto de la strukturo. Tiuj du formoj de karbono ja estas tre utilaj, sed nanoteĥnologio malfermis novan mondon por la elemento. Ŝajnis ke ŝanĝi la strukturon je nano-nivelo povas krei molekulojn kun tute novaj kvalitoj. Grafeno estas kiel grafito, sed nur konsistas el unu travolo. Kvankam grafito estas tre mola, grafeno estas la plej forta materialo kiun oni iam testis. Ĝi bone kondukas varmon kaj havas interesajn elektrajn kvalitojn. La molekulo estas relative simple kreebla per forigi travolojn de grafito. Ankaŭ fulerenoj estas novaj specoj de karbono kiujn oni kreis per nanoteĥnologio. Fulerenoj estas pilkaj aŭ tubaj strukturoj, faritaj el heksagona strukturo de karbono. La pilkoj havas plurajn eblajn uzojn. Oni povus ekzemple uzi ilin por kapti kaj transporti aliajn molekulojn. La tuboj estas tre fortaj kaj iliaj elektraj kvalitoj dependas de la orientiĝo. Ili havas multe da potenco en la fabrikado de pli fortaj, malpezaj materialoj kaj elektroteĥniko. Ke homaro nur per kreemo kaj lerto sukcesis fabriki tute novajn strukturojn de molekulo kiun oni tiom bone konis estas mirinda.
Por praktiki nanoteĥnologion, oni rigardu kaj estontecen kaj pasintecen. Oni rigardu antaŭen kun kreemo por vidi mondon kiu povus iam realiĝi, sed por atingi tiun mondon, oni rigardas retroen al tiuj kiuj venis antaŭen. Nanoteĥnologio estas rakonto de pliboniĝo de teĥnologio, kio komencis en la ŝtona epoko, sed ĝi ankaŭ estas rakonto de la kreemeco de miloj da homoj. Nun la teĥnologio estas ĉie. Ĝi funkciigas aparatojn, kreas kontraŭakvajn travolojn kaj eĉ povas krei sunĉelojn el plasto. Eĉ onia propra korpo kaj tiuj de organismoj kaj plantoj ĉirkaŭ oni estas plenaj je nanoteĥnologio, kiu kreas oniajn proteinojn kaj helpas la kameleonon ŝanĝi siajn kolorojn aŭ foliojn forpuŝi akvon. La eblecoj estas senfinaj. Oni daŭre laboru tamen, por igi tion kion oni havas eĉ pli efika, por krei novajn ideojn kaj testi la riskojn de produktoj kiujn oni kreas. Se oni laboras respondece tamen, la teĥniko ne nur havos lokon en onia estonteco, sed ĝi estos kio igos onian estonteco tiom bela.
Unu el la plej amuzaj aplikoj de nanoteĥnologio estas filmeto kreita per movi individuajn atomojn. Ĝi temas pri knabo kaj atomo kaj videblas per la sekva ligilo: