Nanotechnologie podle čísel

Teoretický fyzik Seung-Hoon Jhi ve své stísněné kabině v Nanomix, nanotechnologické společnosti v Emeryville, CA, přímo naproti zálivu od San Francisca, nahlíží na počítačový model vodíkové palivové nádrže a pečlivě sleduje pohyb jednotlivých molekul. Zatímco zvyšuje teplotu simulované vrstvy atomů boru a dusíku z mrazivých 50 Kelvinů na o něco méně chladných 80 Kelvinů, sleduje reakci hrstky molekul vodíku posetých jeho povrchem. Vrstva nitridu boru se vlní, ale molekuly vodíku drží pevně. Je to povzbudivé znamení virtuálního experimentu, který možná právě ušetřil týdny nebo měsíce pečlivého experimentálního testování ve snaze společnosti Nanomix vyvinout účinnější materiály pro skladování vodíku pro automobily s palivovými články.

Je to samozřejmě kybersnění. Ale Jhi a jeho kolegové z Nanomix jsou natolik přesvědčeni o pravdivosti tohoto počítačového modelování, sestaveného z přesných výpočtů chování jednotlivých atomů, že pomocí simulací navrhují a testují materiály, které nikdy předtím nebyly vyrobeny – materiály, jejichž uspořádání v měřítku nanometrů (nanometr je miliardtina metru) může produkovat vlastnosti užitečné v aplikacích od ultracitlivých senzorů přes ploché displeje až po nenápadné povlaky pro válečná letadla. V chodbě, necelých 15 metrů od kóje Jhi, jsou experimentátoři společnosti zaneprázdněni prací v laboratoři, aby syntetizovali nejslibnější výsledky modelování.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Zatímco Nanomix je jen jedním z několika nedávných startupů, které doufají ve využití nano materiálů, společnost sází na to, že má výhodu: dovednost virtuálně navrhovat materiály – aniž byste museli míchat kádinky – a poté jít do laboratoře a vyrobit je. . Její spoluzakladatelé – teoretický fyzik Marvin Cohen a experimentální fyzik Alex Zettl, oba z Kalifornské univerzity v Berkeley – na takové alchymii spolupracují již více než deset let. Nyní doufají, že tuto odbornost využijí jako základ pro podnikání v oblasti nanotechnologií. Naším cílem je mít první funkční nano komponenty na trhu, říká generální ředitel Nanomix Charles Janac.

Navrhování materiálů na počítačích láká průmyslové výzkumníky již více než deset let. Přinejmenším teoreticky je myšlenka dostatečně jednoduchá: pomocí pravidel kvantové mechaniky je možné vypočítat chování elektronů, které víří kolem atomu. Vzhledem k dostatečnému výpočetnímu výkonu by člověk měl být schopen použít takové výpočty k návrhu atomu materiálu po atomu, přičemž by se dotvářely požadované vlastnosti úpravou elektronického profilu. Problém je, že vlastnosti materiálů vyplývají z interakcí velkého množství atomů. A dokonce i dnešní nejvýkonnější superpočítače se potýkají s kvantovými výpočty zahrnujícími více než pět nebo šest set atomů, což výrazně omezuje možnost navrhovat nové materiály.

Ale nano materiály, což jsou často izolované molekuly – nebo molekuly, jejichž vlastnosti vyplývají z omezených interakcí – jsou pro počítače mnohem jednodušším cílem. V mnoha ohledech se kvantové modelování skutečně ukazuje jako ideální způsob, jak prozkoumat nano svět. Předpovědní síla nanomodelování, říká James Tour, chemik a přední výzkumník v oblasti nanotechnologií na Rice University v Houstonu, se ukazuje jako obrovská.

Nanomix věří, že je to právě tato prediktivní síla, která mu umožní revoluci v objevování nano materiálů. Díky náskoku od svých počítačových simulací společnost, která začala v roce 2000, již konstruuje malé plynové senzory, které používají uhlíkové nanotrubice-molekuly široké jen několik nanometrů se stěnami tlustými jako atom pro detekci nebezpečných plynů. Do konce příštího roku plánuje Nanomix začít prodávat tyto senzory založené na nanotrubičkách pro detekci benzinových výparů chránících rafinérie, chemické závody a potrubní stanice před úniky. Každý senzor by měl stát 10krát méně než běžný detektor netěsností a fungovat po dobu jednoho roku na baterii hodinek. Když byly připojeny k bezdrátovým vysílačům, které nebyly větší než poštovní známky, mohly být rozptýleny po desítkách tisíc, pokrývat průmyslové zařízení - nebo vmáčknuty do ventilů náchylných k úniku, aby odhalily vadné těsnění, což u mnohem větších a dražších konvenčních senzorů není možné.

Ve stejné době Nanomix navrhuje návrhy nových nano materiálů pro skladování vodíkového paliva s ještě větší schopností ukládat vodík než desky z nitridu boru na obrazovce Jhi. Pokud se tyto materiály stanou skutečností, mohly by dramaticky zvýšit výkon automobilů s palivovými články, čímž by se automobily na vodíkové palivo konečně staly komerčně praktickými. Společnost také začala uvažovat o tom, jak by nové nano materiály, jako jsou nanotrubice, mohly být použity v malých počítačových zařízeních.

Vývoj nano materiálů pro palivové články a nano počítače bude pravděpodobně trvat roky. Společnost Nanomix však věří, že její plán začít prodávat senzory a další rané aplikace nanotechnologií z ní učiní životaschopný podnik dlouho předtím. Lidé stále říkají, že nanotechnologie je dlouhá cesta a je to v tom smyslu, že jde o dlouhodobý trend, který bude mít obrovský dopad na světovou ekonomiku. Ale některé z prvních aplikací jsou až za 18 měsíců, předpovídá Janac.

Snímání úspěchu

Vynalézt nový materiál, řekněme nový polymer nebo kovovou slitinu, nebylo nikdy snadné – a často jde spíše o náhodu než o teoretický návrh. Dokonce i v předních průmyslových zařízeních, jako je centrální výzkumná laboratoř DuPont, která vynalezla mnoho dnešních nejdůležitějších polymerů a high-tech materiálů, je tento proces často pokusem, který se řídí spíše instinkty experimentátorů než vypočítanými předpovědi. teoretici. V nanoměřítku však instinkty výzkumníků často začínají selhávat, protože vládnou podivná pravidla kvantového světa. Dostáváme se do oblastí, kde je naše intuice, která je často založena na našich předchozích zkušenostech, opravdu dost nedostatečná, říká Ed Wasserman, vědecký poradce centrálního výzkumu a vývoje DuPont.

Je to však místo, kde se teoretičtí kvantoví fyzici cítí jako doma – říše, kde si mohou hrát na boha a vytvářet nové materiály pouhým přehazováním atomů. Jedním z těchto bohů je spoluzakladatel Nanomix Cohen, průkopník v kvantovém modelování. V 60. letech 20. století Cohen pochopil, že jelikož se jedná pouze o nejvzdálenější elektrony atomu, které interagují, aby dodaly materiálu jeho vlastnosti, je možné značně zjednodušit výpočty potřebné pro simulace tím, že se budeme zabývat pouze těmito elektrony. Tato matematická zkratka způsobila revoluci v kvantově-mechanickém modelování. Pokud provedete celoelektronový výpočet, je to skoro jako pokusit se zjistit hmotnost kapitána lodi zvážením lodi a poté zvážením kapitána s lodí, vysvětluje fyzik z Berkeley Steven Louie, poradce společnosti Nanomix. Cohenův software v podstatě přímo váží kapitána, takže je nyní praktické používat počítač k rychlému vytváření předpovědí o nano materiálech s novými kombinacemi elektronických, magnetických a světelných vlastností.

Cohen si ale také uvědomil, že takové simulace jsou jen tak skutečné jako dovednosti experimentátorů v chodbě. Na začátku 90. let tedy začal spolupracovat s kolegy z Berkeley, jako je Alex Zettl, kteří měli zkušenosti se syntézou nových materiálů. Objev a skutečná syntéza nanotrubic nitridu boru v roce 1994 byl jedním z prvních úspěchů. Cohen, když přemýšlel o atomové struktuře desek z nitridu boru, si uvědomil, že by mělo být možné svinout desky tak, aby vytvořily válcové molekuly. Jiní vědci nedávno vyrobili podobné molekulární trubice z uhlíku, ale nikdo nerozšířil tuto techniku ​​na bor a dusík. Cohen a jeho studenti spustili své modely a vypočítali, že nanotrubice nitridu boru budou nejen stabilní, ale budou vykazovat zajímavé elektrické vlastnosti. Během jednoho roku našel experimentátor Zettl způsob, jak vyrobit nové nanotrubice, a potvrdil předpokládané vlastnosti.

Skvělý vědecký trik, to jistě, ale jak z tohoto typu fyzikálního čarodějnictví udělat byznys?

Bezprostřední výzvou pro výzkumníky z Nanomix je zdokonalit senzory, které Janac slíbil, že se začnou prodávat příští rok. Teoretici Nanomixu zatím identifikovali konkrétní typy nanotrubiček, které by nejcitlivěji reagovaly na uhlovodíky, které mohou pronikat do rafinerií, chemických závodů a potrubí. Také předpověděli, jak by každý plyn změnil vodivost trubicemi, což by poskytlo napěťovou stopu, která by jej identifikovala. Nyní musí experimentátoři přijít na to, jak hromadně vyrábět zařízení na bázi nanotrubiček. A musí dodávat produkt dostatečně spolehlivý, aby ochránil životy provozovatelů zařízení.

Tento typ vývoje nového materiálu může snadno trvat deset let. Ale pokud Nanomix – s využitím svých modelovacích a teoretických znalostí ke zkrácení procesu – dokáže tento trik během příštího roku vytáhnout, ověří svou strategii pro nano vynález. Také vám to otevře dveře do celého světa senzorů. Pro začátek by Nanomix měl být schopen přizpůsobit nanotrubičkové senzory tak, aby vycítily téměř jakýkoli plyn, od oxidu uhelnatého po sloučeniny používané v chemických zbraních. A společnost sponzoruje akademický výzkum zaměřený na vyladění nanotrubic tak, aby vnímaly biochemické závany nemocí, měření hladiny inzulínu u diabetiků nebo detekci antigenů, které indikují infekci. Nanotrubice jsou dokonalou snímací platformou, tvrdí Janac. Nepotřebujete víc než citlivost na jednu molekulu, vaše spotřeba energie bude nanowatty a co se týče velikosti, nemůžete být menší – alespoň v dohledné době – než nanotrubice. Myslíme si, že s touto architekturou uděláme revoluci v podnikání se senzory.

Nano dolary

Technické výzvy však nejsou jedinými tlaky, kterým Nanomix čelí. Nejen, že se společnost snaží dostat nano produkt na trh, ale musí porazit konkurenci v relativně malém fondu rizikového kapitálu dostupného pro začínající nanotechnologie. Mezi mnoha odborníky může narůstat nadšení z vyhlídek nanotechnologií, ale ochota investorů utopit peníze do vysoce spekulativních technologií zdaleka neroste tak rychle. Což znamená, že Nanomix – stejně jako řada dalších mladých nanotechnologických společností – musí bojovat nejen o zodpovězení skličujících vědeckých otázek, ale jednoduše o přežití.

Alta Partners se sídlem v San Franciscu poskytla společnosti Nanomix počáteční financování v roce 2000 a od loňského roku získala společnost Nanomix 4,5 milionu dolarů. Od té doby však bylo těžké najít další prostředky, protože investoři rizikového kapitálu začali být po loňském ekonomickém krachu opatrní. Byl to dlouhý problém přimět další lidi, aby investovali, říká partner Alta Peter Schwartz.

Je ironií, že právě silné stránky Nanomix – silný akademický rodokmen a teoretické znalosti – mohou znevýhodnit společnost před potenciálními investory, kteří se bojí oboru, kde výsledky často zní spíše jako základní výzkum než jako životaschopné produkty. A díky zástupu teoretiků Nanomix je obzvláště snadné zaměnit firmu za laboratoř základního výzkumu.

Tlak vedl Nanomix ke krátkodobému důrazu na vývoj produktů na úkor úsilí společnosti v oblasti teoretické fyziky. Ale zatímco Cohen může přijmout okamžitou nutnost dostat produkt ven, aby získal finanční podporu, zůstává oddán svému snu: společnosti, která vynalézá a komercializuje nano materiály spojením kvantového modelování a teorie s obratným experimentováním. Je to sen plný exotických materiálů, omezený pouze pravidly fyziky a chytrostí jejích praktiků.

Stejně jako mnoho výzkumníků v oblasti nanotechnologií jsou Cohen a jeho vědečtí kolegové z Nanomix přesvědčeni, že nano materiály budou mít uplatnění nejen při snímání a skladování vodíku, ale v elektronických zařízeních tisíckrát menších než dnešní křemíkové tranzistory, což umožňuje ultrarychlé ultramalé počítače. Liliputánské obvody s miliardami nano součástek mohou být ještě roky v budoucnosti, ale výzkumníci Nanomix již přemýšlejí o nano materiálech, které by je mohly vytvořit.

skrýt