LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

31

NANO

MONTA˚

GEORGE M. WHITESIDES,

J. CHRISTOPHER LOVE

MALE¡KIE PIERÂCIENIE

, regularnie rozmieszczone, o Êrednicy 1

mm i

gruboÊci linii 200 nm (zbyt ma∏e, by by∏y widoczne na ilustracji), po-
wodujà pojawienie si´ pi´knych obrazów dyfrakcyjnych na dwu pó∏ku-
lach o Êrednicy 1 cm, wykonanych z przezroczystego plastiku. Kateri E.
Paul, doktorantka z grupy George’a M. Whitesidesa w Harvard Univer-
sity, wytworzy∏a pierÊcienie w cienkiej warstewce z∏ota, pokrywajàcej
pó∏kule, metodà zwanà mi´kkà litografià.

NAUKOWCY ODKRYWAJÑ SPOSOBY

TANIEGO, WYDAJNEGO WYTWARZANIA

STRUKTUR O ROZMIARACH

MILIARDOWYCH CZ¢ÂCI METRA

bardzo ma∏ych

struktur

Sztuka

budowania

„Zmniejszyç!”

to dziÊ

technologiczny nakaz zmieniajàcy Êwiat.
Rozwój mikroelektroniki – najpierw
tranzystorów, a potem scalonych uk∏a-
dów tranzystorów, tworzàcych mikro-
procesory, uk∏ady pami´ci i urzàdzenia
kontrolne – doprowadzi∏ do upowszech-
nienia maszyn manipulujàcych infor-
macjà poprzez kierowanie przep∏ywem
elektronów w krzemie. Mikroelektroni-
ka opiera si´ na technologii pozwalajà-
cej wytwarzaç dziÊ struktury o rozmia-
rach rz´du 100 nm (czyli 100

´ 10

–9

m).

W Êwietle naszego codziennego do-
Êwiadczenia sà one maleƒkie – sto-
krotnie mniejsze od gruboÊci ludzkiego
w∏osa – jednak w skali atomów czy czà-
steczek chemicznych trzeba je uznaç za
du˝e. Na Êrednicy stonanometrowego
drucika mo˝na u∏o˝yç oko∏o 500 ato-
mów krzemu.

Pomys∏ wytwarzania nanostruktur

sk∏adajàcych si´ z jednego lub kilku ato-
mów jest kuszàcy jako wyzwanie nauko-
we, a tak˝e ze wzgl´dów praktycznych.
Granicà jest tu struktura z∏o˝ona z jed-
nego atomu: tworzenie jeszcze mniej-
szych rzeczy wymaga∏oby manipulowa-
nia jàdrami atomów, czyli w∏aÊciwie
przekszta∏cania jednego pierwiastka
w drugi. W ostatnich latach badacze
opanowali ró˝ne techniki wytwarzania
nanostruktur, ale dopiero zaczynajà po-
znawaç ich w∏asnoÊci i mo˝liwe zasto-
sowania. Czas nanomonta˝u ju˝ nad-
szed∏, powstaje nanonauka, ale wiek

nanotechnnologii – wytwarzania nano-
struktur do praktycznych zastosowaƒ –
jeszcze si´ w∏aÊciwie nie zaczà∏.

PodejÊcie konwencjonalne

NAUKOWCY

mogliby skoncentrowaç si´

w pracy na rozwoju nanoelementów elek-
tronicznych, jednak najwa˝niejsze zasto-
sowania nanostruktur mogà byç zupe∏-
nie inne. Na przyk∏ad biolodzy zapewne
u˝yliby nanometrowych czàstek jako
czujników do badania komórek. A zatem
naukowcy nie wiedzàc jeszcze, jakiego
w∏aÊciwie rodzaju nanostruktury chcie-
liby budowaç, nie okreÊlili najlepszego
sposobu ich wytwarzania. Fotolitografi´,
technik´ stosowanà do wytwarzania mi-
kroprocesorów i w∏aÊciwie prawie wszy-
stkich uk∏adów mikroelektronicznych,
mo˝na tak udoskonaliç, ˝e da∏oby si´ wy-
twarzaç struktury o rozmiarach mniej-
szych ni˝ 100 nm, ale jest to trudne, kosz-
towne i niewygodne. W poszukiwaniu
najlepszych metod nanobadacze nie ogra-
niczajà si´ do znanych czy wybranych
technik, preferujàc ró˝norodnoÊç.

Zastanówmy si´ najpierw nad zaleta-

mi i wadami fotolitografii. Producenci
uk∏adów elektronicznych stosujà t´ nad-
zwyczaj wydajnà technologi´ do wytwa-
rzania trzech miliardów tranzystorów
na sekund´ w samych tylko Stanach
Zjednoczonych. Fotolitografia jest
w gruncie rzeczy odmianà fotografii.
Najpierw robi si´ odpowiednik fotogra-
ficznego negatywu zawierajàcy wzór

elementów i po∏àczeƒ wymagany dla
danego mikrouk∏adu. Podobnie jak w fo-
tografii wykonanie negatywu mo˝e byç
trudne, ale zrobienie wielu kopii jest ju˝
∏atwe, bo t´ samà mask´ mo˝na wyko-
rzystaç wiele razy. Ca∏y proces sk∏ada
si´ zatem z dwu zasadniczych etapów:
zrobienia maski (jednorazowej czynno-
Êci, która mo˝e d∏ugo trwaç i wiele kosz-
towaç) i u˝ycia maski do wytwarzania
kopii (co jest ju˝ szybkie i tanie).

Aby zrobiç mask´ cz´Êci mikrouk∏a-

du (komputerowego chipu), najpierw
projektuje si´ rysunek uk∏adu w du˝ej
skali, a nast´pnie przekszta∏ca go we
wzór wytrawiony w nieprzezroczystej
warstwie metalu (zwykle chromu) na-
∏o˝onej na przezroczystà p∏ytk´ (zwy-
kle szklanà lub kwarcowà). W kolejnym
etapie fotolitograficznie zmniejsza si´
rozmiary tego wzoru w procesie analo-
gicznym do uzyskiwania pozytywu
w ciemni fotograficznej [ilustracja na
sàsiedniej stronie

]. Wiàzka Êwiat∏a (zwy-

kle nadfioletu z rt´ciowej lampy ∏uko-
wej) przechodzi najpierw przez chro-
mowà mask´, a nast´pnie przez so-
czewk´ ogniskujàcà obraz maski na fo-
toczu∏ej warstwie polimerowej (zwanej
potocznie fotorezystem), umieszczonej
na powierzchni krzemowej p∏ytki. Te
fragmenty fotorezystu, na które pad∏o
Êwiat∏o, sà nast´pnie selektywnie usu-
wane, ods∏aniajàc p∏ytk´ krzemowà, na
której powstaje w ten sposób zmniejszo-
na replika pierwotnego wzoru maski.

Dlaczego nie da si´ wykorzystaç fo-

tolitografii do wytwarzania nanostruk-
tur? Poniewa˝ mamy tu do czynienia
z dwoma ograniczeniami. Pierwsze
zwiàzane jest z d∏ugoÊcià fali Êwietlnej
– najkrótsze fale stosowanego obecnie
nadfioletu majà d∏ugoÊç oko∏o 250 nm.
Próby wytworzenia struktur o rozmia-
rach znacznie mniejszych ni˝ po∏owa
d∏ugoÊci fali mo˝na porównaç do czy-
tania zbyt ma∏ego druku – dyfrakcja po-
woduje rozmycie i zlewanie si´ szcze-
gó∏ów. Ró˝ne techniczne udoskonalenia
pozwoli∏y na przesuni´cie granic foto-

32

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

n

Rozwój nanotechnologii b´dzie zale˝a∏ od tego, czy naukowcom uda si´ z du˝à

wydajnoÊcià budowaç struktury o rozmiarach mniejszych od 100 nm.

n

Fotolitografi´, technik´ stosowanà dziÊ do wytwarzania uk∏adów scalonych, mo˝na tak

zmodyfikowaç, aby wytwarzaç struktury o wymiarach nanometrowych, ale takie zmiany
by∏yby bardzo trudne technicznie i ogromnie kosztowne.

n

Metody nanowytwarzania mo˝na podzieliç na dwie kategorie: metody „z góry na dó∏”,

kiedy redukuje si´ rozmiary wzoru narysowanego w wi´kszej skali, i metody „z do∏u
do góry”, gdy buduje si´ nanostruktury z kolejno dodawanych atomów lub czàsteczek.

n

Dobrze rokujàcymi metodami „z góry na dó∏” sà mi´kka litografia i litografia ze zwil˝anym

ostrzem. Metodami „z do∏u do góry” naukowcy wytwarzajà kropki kwantowe mogàce
s∏u˝yç jako barwne znaczniki biologiczne.

Przeglàd /

Nanowytwarzanie

IL

USTRACJA: FELICE FRANKEL, POMOC TECHNICZNA: KA

TERI E. P

A

UL; ZA ZGODÑ GEORGE’A

M. WHITESIDESA

Har

var

d University (s. 30)

litografii. Najmniejsze, masowo produ-
kowane struktury majà rozmiary nieco
wi´ksze ni˝ 100 nm, a uzyskano ju˝
struktury o rozmiarach nawet 70 nm.
Nie sà one jednak tak ma∏e, by ujawniç
najciekawsze aspekty nanonauki.

Drugie ograniczenie jest konsekwen-

cjà pierwszego: wytwarzanie tak ma∏ych
struktur przy u˝yciu Êwiat∏a jest trudne
technicznie, dlatego bardzo kosztowne.
Urzàdzenia fotolitograficzne, które zo-
stanà u˝yte do wytwarzania uk∏adów za-
wierajàcych elementy znacznie mniejsze
od 100 nm, b´dà kosztowaç dziesiàtki,
a nawet setki milionów dolarów. Dla pro-
ducentów uk∏adów mikroelektronicz-
nych te koszty mogà byç do przyj´cia lub
nie, ale na pewno stanà si´ zaporà dla
biologów, in˝ynierów materia∏owych,
chemików i fizyków, którzy chcieliby ba-
daç nanoÊwiat, wykorzystujàc struktury
zaprojektowane przez siebie.

Nanouk∏ady przysz∏oÊci

PRZEMYS

¸ ELEKTRONICZNY

jest bardzo za-

interesowany rozwojem nowych metod
wytwarzania nanouk∏adów, bo pozwoli-
∏yby one kontynuowaç budow´ coraz
mniejszych, szybszych i taƒszych urzà-
dzeƒ. Naturalnym wynikiem rozwoju
mikroelektroniki by∏aby nanoelektro-
nika. Jednak wykorzystanie fotolitogra-
fii staje si´ coraz trudniejsze w miar´
zmniejszania si´ rozmiarów struktur,
dlatego te˝ producenci badajà alterna-
tywne technologie wytwarzania przy-
sz∏ych nanouk∏adów.

Jednà z nich jest litografia wykorzy-

stujàca wiàzk´ elektronów. W tej meto-
dzie wzór uk∏adu rysowany jest na poli-
merowej b∏once wiàzkà elektronów.
Elektrony ulegajà niewielkim ugi´ciom
(dyfrakcji) na strukturach w atomowej
skali, a wi´c rozmycie kraw´dzi wzoru
jest nieznaczne. Naukowcy zastosowa-
li litografi´ wykorzystujàcà wiàzk´ elek-
tronów do rysowania linii o gruboÊci za-
ledwie kilku nanometrów na warstwie
fotorezystu umieszczonej na powierzch-
ni p∏ytki krzemowej. Jednak dost´pne
obecnie urzàdzenia wytwarzajàce wiàz-
k´ elektronów sà bardzo kosztowne i nie
nadajà si´ do masowej produkcji nano-
uk∏adów. A poniewa˝ wiàzka elektro-
nów potrzebna jest do narysowania
wszystkich elementów ka˝dej struktu-
ry, wi´c ca∏y proces przypomina kopio-
wanie r´kopisu wiersz po wierszu.

JeÊli wiàzka elektronów nie jest roz-

wiàzaniem, to co nim jest? Mo˝e litogra-

fia wykorzystujàca promienie rentgenow-
skie o d∏ugoÊciach fal le˝àcych pomi´-
dzy 0.1 a 10 nm lub skrajny nadfiolet
o d∏ugoÊciach fal 10–70 nm. Poniewa˝ te
promieniowania majà znacznie krótsze
fale ni˝ nadfiolet obecnie stosowany w fo-
tolitografii, wi´c rozmycie spowodowane
przez dyfrakcj´ jest mniejsze. Jednak i tu
pojawiajà si´ problemy: zwyk∏e soczew-
ki nie sà przezroczyste dla skrajnego nad-
fioletu i w ogóle nie skupiajà promieni
rentgenowskich. Co wi´cej, takie wysoko-
energetyczne promieniowanie szybko
uszkadza wiele materia∏ów stosowanych
na maski i soczewki. Niemniej metody
te obecnie intensywnie si´ doskonali, bo
mened˝erowie przemys∏u mikroelektro-
nicznego woleliby, aby uk∏ady nowej ge-

neracji produkowano ulepszonymi, zna-
nymi im technologiami, a nie decydo-
wano si´ na nowe, niepewne sposoby wy-
magajàce zmiany ca∏ej infrastruktury.
Niektóre z badanych obecnie alternatyw-
nych technologii (np. wykorzystujàce
skrajny nadfiolet do wykonywania mi-
kroobwodów) prawdopodobnie zastosu-
je si´ w seryjnej produkcji. Nie doprowa-
dzi to jednak do taniego wytwarzania
nanostruktur, nie przyczyni si´ zatem do
rozpowszechnienia nanotechnologii w
gronie naukowców i in˝ynierów.

Mi´kka technika

POTRZEBA ZNALEZIENIA

prostszych i taƒ-

szych metod wytwarzania nanostruktur
by∏a bodêcem do poszukiwania niekon-

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

33

BRY

AN CHRISTIE

GEORGE M. WHITESIDES i J. CHRISTOPHER LOVE pracujà razem nad niekonwencjonalnymi
metodami nanowytwarzania na Wydziale Chemii w Harvard University. Whitesides, profe-
sor chemii, uzyska∏ doktorat w California Institute of Technology w 1964 roku, a od 1982 ro-
ku pracuje w Harvard University. Love jest doktorantem, cz∏onkiem grupy badawczej White-
sidesa. Stopieƒ licencjata z chemii uzyska∏ w University of Virginia w 1999 roku, a magisterium
w Harvard University w 2001 roku.

O

AUTORACH

KONWENCJONALNA FOTOLITOGRAFIA

Wiàzka Êwiat∏a laserowego
rysuje wzór mikrochipu
na warstwie Êwiat∏oczu∏ego
polimeru na∏o˝onego
na warstw´ chromu
na pod∏o˝u szklanym.
Obszary polimeru
naÊwietlone wiàzkà
Êwiat∏a mogà byç
nast´pnie selektywnie
usuni´te.

Ods∏oni´te (po wytrawieniu
polimeru) obszary chromu
te˝ zostajà wytrawione,
a reszta polimeru rozpuszczona.
Pozostaje maska – odpowiednik
fotograficznego negatywu.

Gdy wiàzk´ nadfioletu skieruje si´
na mask´, Êwiat∏o przechodzi jedynie
przez otwory w warstwie chromu.
Soczewka zmniejsza ich obraz,
ogniskujàc go na warstwie fotorezystu
pokrywajàcej krzemowà p∏ytk´.

NaÊwietlone obszary fotorezystu
zostajà usuni´te, w rezultacie na powierzchni
krzemowego chipu powstajà miniaturki
wyjÊciowego wzoru.

WIÑZKA ÂWIAT¸A
LASEROWEGO

NADFIOLET

MASKA

POD¸O˚E
SZKLANE

KRZEMOWE CHIPY

P¸YTKA KRYSZTA¸U KRZEMU

Z WARSTWÑ FOTOREZYSTU

WARSTWA

CHROMU

SOCZEWKA

1

1

2

2

3

3

4

4

34

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

BRY

AN CHRISTIE

MI¢KKA FOTOLITOGRAFIA

Druk, odciskanie formy, wyt∏aczanie i inne procesy
mechaniczne wykorzystujàce pieczàtki z elastycznych
polimerów pozwalajà na wytwarzanie wzorów

o wymiarach nanometrowych. Metodami tymi mo˝na
produkowaç nanoelementy stosowane w komunikacji
optycznej lub w badaniach biochemicznych.

WYTWARZANIE ELASTYCZNEJ PIECZÑTKI

Na matryc´ zrobionà metodà
fotolitografii lub elektronolitografii
wylewa si´ prekursor
polidimetylosiloksanu (PDMS).

Ciecz zastyga w gumowate cia∏o sta∏e
odwzorowujàce pierwotny wzór matrycy.

Pieczàtk´ z PDMS odrywa si´
od matrycy.

DRUK MIKROKONTAKTOWY

Pieczàtk´ z PDMS zwil˝a si´ roztworem zwiàzków
organicznych zwanych tiolami, a nast´pnie dociska
do cienkiej warstewki z∏ota na powierzchni krzemu.

Pieczàtk´ z PDMS przyk∏ada si´ do twardej
powierzchni, a ciek∏y polimer wype∏nia zag∏´bienia
pomi´dzy pieczàtkà i powierzchnià.

Tiole tworzà na powierzchni z∏ota samoorganizujàcà si´
monowarstw´, która reprodukuje wzór pieczàtki
(nawet o wymiarach 50 nm).

MIKROFORMOWANIE KAPILARNE

Utwardzony polimer odtwarza
pierwotny wzór (nawet
o wymiarach 10 nm).

1

1

1

2

2

2

3

CIEK¸Y POLIMER

POWIERZCHNIA
WARSTWY Z¸OTA

ROZTWÓR TIOLI

SAMOORGANIZUJÑCA SI¢

MONOWARSTWA

UTWARDZONY POLIMER

CIEK¸Y PREKURSOR DLA PDMS

MATRYCA

FOTOREZYST

PIECZÑTKA Z PDMS

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

35

wencjonalnych sposobów, nie stosowa-
nych dotychczas w przemyÊle elektro-
nicznym. W latach dziewi´çdziesiàtych
nasze zainteresowanie tym zagadnie-
niem wiàza∏o si´ z pracami nad wytwa-
rzaniem prostych struktur potrzebnych
do uk∏adów mikroprzep∏ywowych – ko-
stek z kana∏ami i zbiorniczkami na ciecz.
Takie laboratorium w postaci mikrouk∏a-
du ma tysiàce potencjalnych zastoso-
waƒ w biochemii, od wykrywania nar-
kotyków do analiz genetycznych. Kana∏y
w uk∏adzie mikroprzep∏ywowym sà ol-
brzymie w porównaniu ze standardami
mikroelektroniki, majà szerokoÊç rz´-
du 50

mm (50 000 nm), a nie 100 nm.

Robi si´ je jednak dosyç ∏atwo. Wytwa-
rzanie mikroprzep∏ywowych uk∏adów
jest szybkie i tanie, wiele z nich zbudo-
wanych jest z organicznych polimerów
i ˝eli – materia∏ów raczej niespotyka-
nych w Êwiecie elektroniki. OdkryliÊmy,
˝e podobnymi sposobami mo˝emy wy-
konywaç nanostruktury.

Zastosowana przez nas metoda

w pewnym sensie by∏a technologicznym
krokiem wstecz. Zamiast u˝yç narz´dzi
fizyki – Êwiat∏a i elektronów – wyko-
rzystaliÊmy procesy mechaniczne zna-
ne z codziennego doÊwiadczenia: druk,
odciskanie formy, wyt∏aczanie. T´ tech-
nik´ nazywa si´ mi´kkà litografià, bo
jej wyró˝nikiem jest stosowanie poli-
dimetylosiloksanu (PDMS) – gumo-
watego polimeru u˝ywanego do uszczel-
niania szpar wokó∏ wanien (fizycy
cz´sto nazywajà takie materia∏y „mi´k-
kà materià”).

Do wytwarzania kopii za pomocà

mi´kkiej litografii trzeba najpierw zro-
biç form´ czy te˝ pieczàtk´. U˝ywa si´
do tego najcz´Êciej fotolitografii lub elek-
tronolitografii, aby narysowaç ˝àdany
wzór uk∏adu w warstwie fotorezystu na
powierzchni krzemowej p∏ytki. Podczas
tego zabiegu tworzona jest p∏askorzeê-
ba, „negatyw” struktury, w której wy-
sepki fotorezystu wystajà z powierzchni
krzemu [ilustracja na sàsiedniej stronie].
Na taki negatyw wylewa si´ nast´pnie
chemiczny prekursor PDMS – ∏atwo roz-
p∏ywajàcà si´ ciecz, która g´stnieje w gu-
mowaty polimer. Otrzymuje si´ w ten
sposób pieczàtk´ z PDMS, która z do-

k∏adnoÊcià do kilku nanometrów odtwa-
rza szczegó∏y wyjÊciowego „negatywu”.
Chocia˝ uzyskanie wyjÊciowej formy za-
wierajàcej subtelne szczegó∏y jest kosz-
towne, bo wymaga elektronolitografii
lub innej zaawansowanej technologii,
to kopiowanie tego wzoru zapisanego
w postaci pieczàtki z PDMS jest ju˝ ∏a-
twe i tanie. Gdy mamy pieczàtk´, mo-
˝emy jej u˝ywaç na ró˝ne sposoby do
wytwarzania nanostruktur.

Jeden z takich sposobów, wynalezio-

ny przez Amita Kumara, przebywajàce-
go na sta˝u podoktorskim w Harvard
University i pracujàcego w naszej gru-
pie, nazwaliÊmy drukowaniem mikro-
kontaktowym. Pieczàtka wykonana z
PDMS zwil˝ana jest roztworem reagen-
ta zawierajàcego organiczne czàstecz-
ki nazywane tiolami [Êrodkowa ilustracja
na sàsiedniej stronie

]. Nast´pnie pieczàt-

k´ przyk∏ada si´ do „kartki” odpowied-
niego „papieru” – w tym przypadku cien-
kiej warstewki z∏ota na szkle, krzemie

czy plastikowej folii. Tiole reagujà z po-
wierzchnià z∏ota, wytwarzajàc dobrze
uporzàdkowanà warstewk´, zwanà sa-
moporzàdkujàcà si´ monowarstwà
(SAM – self-assembled monolayer), któ-
ra odtwarza wzór znajdujàcy si´ na pie-
czàtce. RozdzielczoÊç monowarstwy nie
jest tak dobra, jak pieczàtki z PDMS,
poniewa˝ tiole troch´ si´ rozp∏ywajà
w kontakcie z powierzchnià. Mimo to
jeÊli b´dzie si´ w∏aÊciwie post´powaç,
mikrokontaktowy druk mo˝e odtwarzaç
wzory o szczegó∏ach rz´du 50 nm.

Innym sposobem mi´kkiej litografii

jest mikroformowanie kapilarne, w któ-
rym pieczàtki z PDMS u˝ywa si´ do
formowania wzoru. W tym wypadku pie-
czàtk´ umieszcza si´ na twardej po-
wierzchni, a ciek∏y polimer dzi´ki kapi-
larnym oddzia∏ywaniom sam wciska si´
w rowki powsta∏e pomi´dzy pieczàtkà
a powierzchnià [dolna ilustracja na sà-
siedniej stronie

]. Polimer nast´pnie

twardnieje, tworzàc ˝àdany wzór. Ta me-
toda pozwala odtwarzaç struktury
o szczegó∏ach rz´du 10 nm, a nawet
mniejszych. Bardzo dobrze nadaje si´
do wytwarzania elementów optycznych,
falowodów i polaryzatorów, które mo-
gà znaleêç zastosowanie w sieciach

Êwiat∏owodowych, a byç mo˝e nawet
w komputerach optycznych. Inne po-
tencjalne zastosowania to urzàdzenia
wykorzystujàce nanoprzep∏ywy (rozsze-
rzenie stosowanych ju˝ dziÊ mikroprze-
p∏ywów), szczególnie obwody do badaƒ
biochemicznych z kana∏ami o szeroko-
Êci jedynie kilku nanometrów. Dynami-
ka przep∏ywów w takiej skali prawdo-
podobnie zostanie wykorzystana do
rozdzia∏u materia∏ów, na przyk∏ad frag-
mentów czàsteczek DNA.

Opisane powy˝ej metody nie wyma-

gajà specjalnej aparatury i w∏aÊciwie da
si´ je stosowaç w zwyk∏ym laboratorium.
Konwencjonalna litografia wymaga na-
tomiast specjalnych, czystych, pozbawio-
nych kurzu i py∏u pomieszczeƒ, bo gdy
na masce znajdzie si´ py∏ek, to przes∏o-
ni on wzór i w rezultacie wytwarzany
element (i sàsiadujàce z nim) mo˝e zo-
staç uszkodzony. Pieczàtka jest elastycz-
na. JeÊli mi´dzy nià a powierzchni´ tra-
fi drobinka kurzu, to pieczàtka odkszta∏ci

si´ lokalnie, zachowujàc dobry kontakt
z resztà powierzchni. W ten sposób ca-
∏y wzór zostanie ÊciÊle odtworzony z wy-
jàtkiem tylko tego fragmentu, na którym
znalaz∏a si´ drobinka kurzu.

W dodatku mi´kkà litografià da si´

wytwarzaç nanostruktury z materia∏ów
ró˝nego rodzaju, w tym ze z∏o˝onych
czàsteczek organicznych potrzebnych
do badaƒ biologicznych. Umo˝liwia
równie˝ drukowanie czy wyt∏aczanie
wzorów na zakrzywionych powierzch-
niach równie dobrze, jak na p∏askich.
Niezbyt si´ jednak nadaje do wytwarza-
nia struktur potrzebnych w z∏o˝onej na-
noelektronice. Obecnie wszystkie uk∏a-
dy scalone zbudowane sà z na∏o˝onych
jedna na drugà warstw ró˝nych mate-
ria∏ów. Deformacje mi´kkiej pieczàtki
z PDMA powodujà niewielkie b∏´dy
w odtwarzaniu ka˝dego wzoru i niedo-
pasowanie do ju˝ wczeÊniej wytworzo-
nego. A w wyniku nawet najmniejszych
deformacji i przesuni´ç wzorów mo˝e
ulec zniszczeniu wielowarstwowy uk∏ad
nanoelektroniczny. Dlatego w∏aÊnie
mi´kka litografia nie nadaje si´ do wy-
twarzania struktur wielowarstwowych,
w których kolejne warstwy muszà do-
k∏adnie do siebie pasowaç.

Metody te nie wymagajà ˝adnego specjalnego wyposa˝enia,

wystarczà sprawne r´ce i zwyk∏e laboratorium.

Badacze znaleêli jednak sposób na po-

konanie tego ograniczenia – przynajmniej
cz´Êciowo – zastosowali sztywnà pieczàt-
k´ zamiast elastycznej. W metodzie na-
zywanej litografià step-and-flash (z wyci-
skaniem i naÊwietleniem), opracowanej
przez C. Granta Willsona z University of
Texas, fotolitografia jest u˝ywana do wy-
trawienia okreÊlonego wzoru w p∏ytce
kwarcowej, co daje sztywnà p∏askorzeê-
b´ matrycy. Willson wyeliminowa∏ etap
polegajàcy na u˝yciu matrycy do zrobie-
nia pieczàtki z PDMS. W jego metodzie do
cienkiej warstewki p∏ynnego polimeru na
p∏askiej powierzchni przyciska si´ bez-
poÊrednio matryc´, co powoduje wype∏-
nienie polimerem znajdujàcych si´ w niej
zag∏´bieƒ. Potem matryc´ naÊwietla si´
nadfioletem, który powoduje utwardze-
nie polimeru i powstanie po˝àdanej re-
pliki. W podobnej metodzie nazywanej li-
tografià z nanoodciskaniem (nanoimprint
lithography), opracowanej przez Stephe-
na Y. Chou z Princeton University, te˝ u˝y-
wa si´ sztywnej matrycy, ale wykorzystu-
je si´ warstewk´ polimeru podgrzanego
prawie do temperatury topnienia, co u∏a-
twia proces odciskania. Obydwie meto-
dy pozwalajà uzyskaç dwuwymiarowe
struktury wiernie odtwarzajàce pierwot-
ny wzór, ale dopiero w przysz∏oÊci oka˝e
si´, czy przydadzà si´ do produkcji urzà-
dzeƒ elektronicznych.

Manipulacje atomami

REWOLUCJA W NANONAUCE

rozpocz´∏a si´

w 1981 roku po wynalezieniu skaningo-
wego mikroskopu tunelowego (STM –
scanning tunneling microscope), za któ-
ry Heinrich Rohrer i Gerd K. Binnig z
laboratorium badawczego IBM w Zu-
rychu dostali w 1986 roku Nagrod´ No-
bla. To zadziwiajàce urzàdzenie wykry-
wa niewielki pràd p∏ynàcy pomi´dzy
ostrzem mikroskopu a powierzchnià ba-
danej próbki, co pozwala badaczom „zo-
baczyç” na tej powierzchni pojedyncze
atomy. Sukces STM doprowadzi∏ do po-
wstania innych urzàdzeƒ ze skanujàcà
sondà, m.in. mikroskopu si∏ atomowych
(AFM – atomic force microscope). Dzia-
∏a on na podobnej zasadzie jak staro-
Êwiecki gramofon. Niewielkà sond´ –
w∏ókno lub piramidalnie zakoƒczone
ostrze o Êrednicy 2–30 nm – doprowadza
si´ do bezpoÊredniego kontaktu z po-
wierzchnià próbki. Sonda umieszczona
jest na koƒcu dêwigienki uginajàcej si´
podczas jej przesuwania po powierzch-
ni. Odchylenia mierzy si´, wykorzystu-

jàc odbicie wiàzki Êwiat∏a laserowego
od górnej powierzchni dêwigienki. Mi-
kroskop si∏ atomowych wykrywa zmia-
ny topografii w pionie z rozdzielczoÊcià
znacznie lepszà ni˝ rozmiary sondy.

Przyrzàdy ze skanujàcà sondà nie tyl-

ko umo˝liwiajà obserwacj´ Êwiata ato-
mów – mo˝na je wykorzystaç do budo-
wania nanostruktur. Ostrze mikroskopu
si∏ atomowych mo˝e byç u˝yte do prze-
suwania nanoczàstek po powierzchni
i uk∏adania ich w ró˝ne wzory. Mo˝na go
równie˝ u˝yç do robienia rys na po-
wierzchni (najcz´Êciej sà to rysy w mo-
nowarstwie atomów lub czàsteczek po-
krywajàcych powierzchni´). Podobnie,
jeÊli zwi´kszyç pràd p∏ynàcy przez ostrze
skaningowego mikroskopu tunelowego,
to staje si´ ono êród∏em bardzo wàskiej
wiàzki elektronów, którà da si´ wyko-
rzystaç do rysowania na powierzchni
wzorów w nanometrowej skali. Ostrze
mikroskopu tunelowego mo˝e te˝ prze-
suwaç po powierzchni pojedyncze ato-
my, co pozwala na budowanie z nich
pierÊcieni lub drucików o gruboÊci jed-
nego atomu.

Ciekawym sposobem nanokonstru-

owania jest tzw. litografia ze zwil˝anym
ostrzem, opracowana przez Chada A.
Mirkina z Northwestern University. Da
si´ jà porównaç do pisania g´sim pió-
rem [ilustracja powy˝ej]. Powierzchni´

ostrza pokrywa si´ cienkà warstwà czà-
steczek tioli, które sà nierozpuszczalne
w wodzie, ale reagujà z powierzchnià
z∏ota (te same ich w∏asnoÊci wykorzy-
stuje si´ w druku mikrokontaktowym).
Kiedy ca∏y przyrzàd umieÊci si´ w at-
mosferze o du˝ej koncentracji pary wod-
nej, to na koƒcu ostrza, w kontakcie
z warstwà z∏ota kondensuje maleƒka
kropelka wody. Napi´cie powierzchnio-
we przyciàga ostrze na pewnà odleg∏oÊç
od warstwy z∏ota i ta odleg∏oÊç nie zmie-
nia si´ podczas przesuwania ostrza po
powierzchni. Kropelka wody pe∏ni rol´
pomostu, po którym czàsteczki tioli mi-
grujà ku powierzchni z∏ota i przycze-
piajà si´ do niej. Badacze rysujà tà me-
todà linie o szerokoÊci zaledwie kilku
nanometrów.

Chocia˝ litografia ze zwil˝anym

ostrzem jest stosunkowo powolna, jej
zaletà jest mo˝liwoÊç u˝ycia ró˝nego
rodzaju czàsteczek jako „atramentu”,
co zapewnia chemicznà wszechstron-
noÊç pisania w nanoskali. Nie znalezio-
no jeszcze najlepszych zastosowaƒ tej
metody, ale jednym z pomys∏ów jest
wykorzystanie jej do precyzyjnego mo-
dyfikowania wzorów mikrouk∏adów.
Ostatnio Mirkin wykaza∏, ˝e w jednym z
wariantów litografii ze zwil˝anym
ostrzem da si´ pisaç bezpoÊrednio po
powierzchni krzemu.

36

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

BRY

AN CHRISTIE

LITOGRAFIA ZE ZWIL˚ANYM OSTRZEM

OSTRZE

mikroskopu

si∏ atomowych w kszta∏cie
piramidki zostaje pokryte cienkà
warstewkà tioli. Miniaturowa kropelka
wody kondensuje w obszarze pomi´dzy
ostrzem a powierzchnià warstwy z∏ota,
nad którà si´ znajduje. Tiole migrujà
z ostrza do powierzchni, na której tworzà
samoorganizujàcà si´ monowarstw´.

SAMOORGANIZUJÑCA SI¢
MONOWARSTWA

DèWIGIENKA MIKROSKOPU

SI¸ ATOMOWYCH

POWIERZCHNIA Z¸OTA

CZÑSTECZKI TIOLI

KROPLA WODY

OSTRZE

W interesujàcej odmianie tych tech-

nik korzysta si´ z tzw. nanostruktury
przerwanego kontaktu. Kiedy cienki dru-
cik z mi´kkiego metalu rozrywany jest
na dwie cz´Êci, obserwator postrzega to
jako gwa∏towny proces, a w gruncie rze-
czy jest to z∏o˝ona sekwencja zdarzeƒ.
W poczàtkowym etapie po przy∏o˝eniu
si∏y do drucika metal zaczyna si´ jej pod-
dawaç i „p∏ynie”, a Êrednica drucika ma-
leje. W miar´ jak dwa koƒce drucika od-
dalajà si´ od siebie, powstajàce prze-
w´˝enie robi si´ coraz cieƒsze, a˝ wresz-
cie tu˝ przed zerwaniem ma Êrednic´
jednego atomu. Ten proces Êcieniania
drucika a˝ do jego przerwania (i powsta-
nia dwóch zwróconych ku sobie ostrzy)
daje si´ ∏atwo Êledziç poprzez pomiar
pràdu p∏ynàcego przez drucik. Kiedy
drucik jest ju˝ dostatecznie zw´˝ony, to
pràd mo˝e przep∏ywaç jedynie w posta-
ci okreÊlonych porcji (oznacza to, ˝e
przep∏yw pràdu jest skwantowany).

Konfiguracja przerwanego kontaktu

jest analogiczna do dwu ostrzy skanin-
gowego mikroskopu tunelowego zwró-
conych ku sobie; te same zasady fizyki
rzàdzà przep∏ywajàcym pràdem. Mark
A. Reed z Yale University by∏ pionierem
bardzo przemyÊlnych zastosowaƒ prze-
rwanego kontaktu. Zbudowa∏ urzàdze-
nie umo˝liwiajàce zerwanie cienkiego
drucika w starannie kontrolowanych
warunkach, a nast´pnie zbli˝anie do sie-
bie ostrzy powsta∏ych po zerwaniu z pre-

cyzjà lepszà od 0.01 nm. Dostosowujàc
odleg∏oÊç ostrzy do wymiarów znajdujà-
cej si´ pomi´dzy nimi czàsteczki zwiàz-
ku organicznego, Reed by∏ w stanie
zmierzyç pràd p∏ynàcy przez taki orga-
niczny mostek. DoÊwiadczenia te by∏y
wa˝nym krokiem w rozwoju technologii
umo˝liwiajàcej wykorzystanie czàste-
czek zwiàzków organicznych jako ele-
mentów elektronicznych, takich jak dio-
dy i tranzystory [patrz: Mark A. Reed
i James M. Tour „Obliczenia molekular-
ne w elektronice”; Âwiat Nauki, wrze-
sieƒ 2000].

Z góry na dó∏ i odwrotnie

WSZYSTKIE DOTYCHCZAS

omawiane odmia-

ny litografii nazywa si´ metodami „z gó-
ry na dó∏”, poniewa˝ na poczàtku ma-
my wzór w wi´kszej skali, a nast´pnie
zmniejszamy jego rozmiary (cz´sto po-
nad 10 razy), by wytworzyç nanostruk-
tury. Takiej strategii wymaga produkcja
urzàdzeƒ elektronicznych, takich jak
uk∏ady scalone, których dzia∏anie bar-
dziej zale˝y od ich schematu ni˝ od roz-
miarów. Jednak ˝adna z metod „z góry
na dó∏” nie spe∏nia naszych wymagaƒ,
˝adna nie pozwala ∏atwo, tanio i szybko
budowaç nanostruktur z dowolnych ma-
teria∏ów. Dlatego coraz wi´kszym za-
interesowaniem badaczy cieszà si´
metody „z do∏u do góry”, w których za-
czyna si´ od atomów i czàsteczek i z
nich buduje si´ wi´ksze nanostruktury.

Umo˝liwiajà one ∏atwe budowanie naj-
mniejszych nanostruktur o rozmiarach
2–10 nm, w dodatku tanio. Jednak takie
struktury wytwarza si´ jako pojedyncze
czàstki w roztworze lub na powierzch-
ni, a nie jako specjalnie zaprojektowane,
po∏àczone ze sobà uk∏ady.

Dwie metody „z do∏u do góry” zyska-

∏y ju˝ znacznà popularnoÊç: wytwa-
rzanie nanorurek i kropek kwantowych.
Naukowcy nauczyli si´ wytwarzaç d∏u-
gie, cylindryczne w´glowe rurki w pro-
cesie katalitycznego wzrostu, w którym
jako katalizatora u˝ywa si´ kropelki
stopionego metalu (zwykle ˝elaza) na-
nometrowej wielkoÊci [patrz: Philip
G. Collins i Phaedon Avouris „Nanorur-
ki w elektronice”; Âwiat Nauki, luty
2001]. Badania dotyczàce kropek kwan-
towych zainicjowa∏ Louis E. Brus (pra-
cujàcy wówczas w Bell Laboratories),
potem rozwijali je A. Paul Alivisatos
z University of California w Berkeley,
Moungi G. Bawendi z Massachusetts
Institute of Technology i wielu innych.
Kropki kwantowe sà kryszta∏ami zbu-
dowanymi zaledwie z kilkuset atomów.
Poniewa˝ elektrony w kropce kwanto-
wej znajdujà si´ na znacznie od sie-
bie odleg∏ych poziomach energetycz-
nych, wi´c wzbudzona kropka emituje
Êwiat∏o o jednej, okreÊlonej d∏ugoÊci fa-
li. Ta w∏aÊciwoÊç sprawia, ˝e kropki
kwantowe sà u˝yteczne dla biologów ja-
ko znaczniki substancji chemicznych

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

37

Porównanie metod nanowytwarzania

Naukowcy rozwijajà wiele metod budowania struktur o rozmiarach mniejszych od 100 nm.
Oto podsumowanie zalet i wad czterech takich metod.

Fotolitografia

Zalety: Przemys∏ elektroniczny zna ju˝ t´ metod´, bo jest ona
stosowana do wytwarzania uk∏adów scalonych. Przez zastosowanie
wiàzki elektronów, promieniowania rentgenowskiego lub
skrajnego nadfioletu producenci mogà jà zmodyfikowaç
w celu wytwarzania nanostruktur.
Wady: Konieczne modyfikacje b´dà kosztowne i technicznie
skomplikowane. Wykorzystanie wiàzki elektronów jest kosztowne
i powolne. Promieniowanie rentgenowskie i skrajny nadfiolet
uszkadzajà urzàdzenia stosowane w procesie produkcyjnym.

Metody wykorzystujàce skanujàcà sond´

Zalety: Skaningowy mikroskop tunelowy i mikroskop si∏ atomowych
mogà byç u˝yte do przesuwania pojedynczych nanoczàstek
po powierzchni i uk∏adania ich w ˝àdane wzory. Przyrzàdy te
umo˝liwiajà budow´ pierÊcieni i Êcie˝ek o szerokoÊci jednego atomu.
Wady: Metody te sà zbyt wolne, aby je wykorzystywaç w masowej
produkcji. Zastosowania tych mikroskopów b´dà zapewne
ograniczone do budowania wyspecjalizowanych uk∏adów.

Mi´kka litografia

Zalety: Metoda ta pozwala na tanià reprodukcj´
wzorów wytworzonych przy u˝yciu elektronolitografii
lub innych podobnych technik. Mi´kka litografia nie wymaga
specjalistycznego wyposa˝enia, mo˝na z niej korzystaç
w zwyk∏ym laboratorium.
Wady: Metoda ta niezbyt si´ nadaje do wytwarzania
wielowarstwowych struktur wspó∏czesnych uk∏adów
mikroelektronicznych. Naukowcy próbujà pokonaç
jej ograniczenia.

Metody „z do∏u do góry”

Zalety: Przez dobór starannie kontrolowanych reakcji
chemicznych naukowcy sà w stanie tanio i stosunkowo
∏atwo ∏àczyç atomy i czàsteczki w bardzo maleƒkie struktury
o rozmiarach 2–10 nm.
Wady: Metody te nie nadajà si´ do budowy uk∏adów scalonych,
bo nie mo˝na za ich pomocà tworzyç z góry zaprojektowanych
wzorów o skomplikowanej sieci po∏àczeƒ.

[patrz: A. Paul Alivisatos, „Ma∏e mo˝e
wi´cej”, s. 56].

W jednym ze sposobów wytwarzania

kropek kwantowych wykorzystuje si´ re-
akcj´ chemicznà pomi´dzy jonami me-
talu (np. kadmu) i czàsteczkami, które
mogà oddawaç jony selenu. W tej reak-
cji powstaje selenek kadmu. Ca∏a sztuka
polega na tym, aby zapobiec zlepianiu
si´ ma∏ych kryszta∏ków, gdy rosnà do
˝àdanych rozmiarów. W celu odizolo-
wania od siebie rosnàcych kryszta∏ków
naukowcy prowadzà t´ reakcj´ w obec-
noÊci czynnika powierzchniowo czyn-
nego – czàsteczek zwiàzków organicz-
nych pokrywajàcych powierzchni´
ka˝dego z rosnàcych kryszta∏ów. Te czà-
steczki nie tylko zapobiegajà zrastaniu
si´ kryszta∏ków, ale regulujà szybkoÊç
ich wzrostu. Kszta∏ty kryszta∏ków mo-
gà byç w pewnym stopniu kontrolowa-
ne przez ró˝ne st´˝enia czàsteczek
zwiàzków organicznych w roztworze.
Uzyskuje si´ czàstki o ró˝nych kszta∏-
tach: kulki, pa∏eczki i bry∏ki z czterema
ramionami przypominajàce dzieci´ce
zabawki.

Bardzo wa˝ne jest otrzymywanie kro-

pek kwantowych o jednorodnych roz-
miarach i sk∏adzie chemicznym, ponie-
wa˝ rozmiary kropek decydujà o ich
w∏asnoÊciach elektrycznych, magnetycz-
nych i optycznych. Rozmiar czàstek
ustala si´ przez zmiany czasu trwania
reakcji. Pokrycie z czàsteczek zwiàz-
ków organicznych równie˝ pomaga
utrzymaç jeden rozmiar czàstek. Gdy
nanoczàstka jest niewielka (mniej wi´-
cej wielkoÊci pojedynczej czàstecz-
ki zwiàzku organicznego), pokrycie na
jej powierzchni jest luêne, co umo-
˝liwia dalszy wzrost; w miar´ wzrostu
czàstki zacieÊnia si´ pokrycie jej po-
wierzchni przez czàsteczki. Istnieje
pewna optymalna wielkoÊç czàstki za-
pewniajàca najg´stsze u∏o˝enie czà-
steczek pokrywajàcych powierzchni´,
co gwarantuje stabilizacj´ powierzchni
nanokryszta∏ków.

Takie nanoczàstki selenku kadmu to

jeden z pierwszych komercyjnych pro-
duktów nanonauki. Quantum Dot Cor-
poration z Hayward w Kalifornii sprze-
daje ju˝ te kryszta∏ki, które sà u˝ywane
przez biologów jako znaczniki. Badacze
nauczyli si´ doczepiaç bia∏ka i kwasy nu-
kleinowe do kropek kwantowych. Gdy
próbka biologiczna zostaje oÊwietlona
nadfioletem, kryszta∏ki zaczynajà wysy-
∏aç promieniowanie fluorescencyjne

38

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

BRY

AN CHRISTIE

BUDOWANIE KROPEK KWANTOWYCH

Kryszta∏y nazywane kropkami kwantowymi zawierajà zaledwie kilkaset
atomów. Emitujà one Êwiat∏o o d∏ugoÊci fali zale˝nej od swoich wymiarów.
Mogà byç bardzo u˝yteczne w znakowaniu czàsteczek zwiàzków orga-
nicznych, a wi´c w monitorowaniu aktywnoÊci komórek w organizmach.

W reakcji chemicznej ∏àczà si´
jony kadmu (fioletowy),
jony selenu (zielony)
i czàsteczki zwiàzków
organicznych (czerwone kulki
z niebieskimi ogonkami)

.

Czàsteczki zwiàzków
organicznych pe∏nià rol´
Êrodka powierzchniowo
czynnego, wià˝àc si´
z powierzchnià rosnàcych
kryszta∏ków selenku kadmu.

Gdy czàsteczki zwiàzków
organicznych utworzà na
powierzchni stabilny uk∏ad,
wzrost zostaje zatrzymany
i kryszta∏ek uzyskuje
optymalne rozmiary.

1

2

3

o okreÊlonej d∏ugoÊci fali, co pozwala
zlokalizowaç doczepione bia∏ko w struk-
turach tkankowych. Jest wiele czàste-
czek zwiàzków organicznych wykazujà-
cych fluorescencj´, ale kropki kwantowe
majà w stosunku do nich wiele zalet,
dzi´ki którym sà lepszymi markerami.
Po pierwsze, mo˝na zmieniaç kolor Êwie-
cenia kropek przez zmian´ ich rozmia-
rów: im sà one wi´ksze, tym bardziej ko-
lor fluorescencji przesuni´ty jest ku
czerwonej kraw´dzi widma. Po drugie,
jeÊli wszystkie kropki sà tej samej wiel-
koÊci, to ich widmo fluorescencyjne jest
wàskie: to znaczy emitujà Êwiat∏o jednej
barwy. Jest to wa˝ne, bo umo˝liwia wy-
korzystanie kropek ró˝nej wielkoÊci do

zaznaczania lokalizacji ró˝nych substan-
cji. Po trzecie, fluorescencja kropek
kwantowych nie zanika po naÊwietleniu
nadfioletem, tak jak to si´ dzieje w przy-
padku markerów organicznych. Gdy ko-
rzysta si´ z kropek jako znaczników
w badaniach biologicznych, mo˝na je
obserwowaç dowolnie d∏ugo.

Bada si´ równie˝ mo˝liwoÊç wytwa-

rzania struktur w roztworach koloidal-
nych – zawiesinach nanoczàstek w ta-
kich rozpuszczalnikach, jak woda lub
toluen. Zespó∏ Christophera B. Murraya
z Thomas J. Watson Research Center w
IBM bada wykorzystanie takich zawiesin
do uzyskania noÊnika superg´stego za-
pisu informacji. Zawiesiny zawierajà
czàstki magnetyczne o Êrednicy zaled-
wie 3 nm. Ka˝da zbudowana jest z oko-
∏o 1000 atomów ˝elaza i platyny. Kiedy
wyleje si´ takà zawiesin´ na powierzch-
ni´ i rozpuszczalnik odparuje, nanoczàst-
ki „krystalizujà” w dwuwymiarowy lub
trójwymiarowy uk∏ad. W pierwszych ba-
daniach stwierdzono, ˝e w takich war-
stwach mo˝na osiàgnàç g´stoÊç zapisu
danych si´gajàcà terabita na centymetr
kwadratowy, co oznacza 10–100 razy
wi´kszà pojemnoÊç, ni˝ majà wspó∏cze-
sne urzàdzenia do zapisu danych.

Przysz∏oÊç nanowytwarzania

ZAINTERESOWANIE NANOSTRUKTURAMI

jest

tak du˝e, ˝e sprawdza si´ ka˝dà mo˝li-
wà metod´ ich wytwarzania. Wi´kszoÊç
badaƒ wykonujà teraz fizycy i chemicy,
ale biolodzy te˝ mogà wnieÊç swój

wk∏ad. Komórka (czy to ssaka, czy bak-
terii) jest stosunkowo du˝a w porówna-
niu z nanostrukturami. Typowa komórka
bakteryjna ma d∏ugoÊç oko∏o 1000 nm,
komórki ssaków sà wi´ksze. Wewnàtrz
komórek znajdujà si´ jednak znacznie
mniejsze struktury i niektóre z nich
pe∏nià zadziwiajàco z∏o˝one funkcje.
Na przyk∏ad rybosom spe∏nia jednà
z najwa˝niejszych funkcji komórki –
syntetyzuje bia∏ka z aminokwasów,
korzystajàc z informacyjnego RNA jako
wzorca. Z∏o˝onoÊç tego molekularnego
przedsi´wzi´cia konstrukcyjnego znacz-
nie przewy˝sza wszystkie pomys∏y ludz-
kie. Podobnie zadziwiajàcy jest mecha-
nizm ruchu wici (rz´ski) tak skutecznie

poruszajàcej jednokomórkowe organi-
zmy [patrz: George M. Whitesides „DziÊ
i jutro nanomaszyn”, s. 68].

Nie wiadomo, czy „nanomechanizmy”

charakterystyczne dla ˝ywych komórek
zostanà wykorzystane. Byç mo˝e znajdà
pewne zastosowania w elektronice i oka-
˝à si´ bardzo pomocne w chemicznych
syntezach i budowie czujników. Prace
wykonane ostatnio przez Carla D. Mon-
temagno z Cornell University wykaza-
∏y, ˝e mo˝na zbudowaç prosty nanome-
chanizm z silnikiem biologicznym.
Montemagno wyodr´bni∏ z komórek
bakteryjnych bia∏kowe silniczki obraca-
jàce wiciami i do jednego z nich przy-
czepi∏ metaliczny nanopr´cik – cylin-
derek o Êrednicy 150 nm i d∏ugoÊci
750 nm wytworzony metodà litograficz-
nà. Obracajàcy go silniczek o wysokoÊci
zaledwie 11 nm nap´dzany by∏ adenozy-
notrifosforanem (ATP), noÊnikiem ener-
gii chemicznej w komórce. Montema-
gno pokaza∏, ˝e taki silniczek mo˝e
obracaç nanopr´cikiem osiem razy na
minut´. Takie badania mogà stymulo-
waç wysi∏ki zmierzajàce do zbudowa-

nia nanostruktur – pokazujà, ˝e struk-
tury tego typu mogà istnieç.

Rozwój nanotechnologii b´dzie za-

le˝eç od dost´pnoÊci nanostruktur.
Skaningowe mikroskopy tunelowe i mi-
kroskopy si∏ atomowych umo˝liwi∏y ob-
serwacje, charakteryzacje i manipulo-
wanie tymi strukturami. G∏ównym pro-
blemem jest teraz to, jak je budowaç na
zamówienie i jak je projektowaç, aby
spe∏nia∏y nowe, oczekiwane przez nas
funkcje. Ze wzgl´du na znaczenie zasto-
sowaƒ elektronicznych zwrócono uwa-
g´ na te nanourzàdzenia, które mog∏yby
kiedyÊ zostaç wbudowane w przysz∏e
uk∏ady scalone. Jednak mened˝erowie
przemys∏u elektronicznego z istotnych

powodów technologicznych k∏adà na-
cisk na te metody wytwarzania nano-
struktur, które by∏yby rozszerzeniem dziÊ
stosowanych metod produkcji uk∏a-
dów scalonych. Tymczasem z powodu
ogromnego wzrostu zainteresowania
nanonaukà powsta∏o zapotrzebowanie
tak˝e na inne techniki wytwarzania na-
nostruktur, zw∏aszcza tanie i wygodne
w stosowaniu.

NiekonwencjonalnoÊç nowych metod

bierze si´ stàd, ˝e nie sà oparte na mi-
krotechnologiach opracowanych w ce-
lu wytwarzania urzàdzeƒ elektronicz-
nych. Chemicy, fizycy i biolodzy ch´tnie
je akceptujà jako najw∏aÊciwsze sposoby
budowania ró˝nego rodzaju nanostruk-
tur do celów badawczych. Przypuszczal-
nie metody te stanà si´ uzupe∏nieniem
stosowanych dziÊ w elektronice: fotoli-
tografii, elektronolitografii i innych. Kon-
wencja w mikroelektronice zosta∏a prze-
∏amana. W swobodnej grze wyobraêni
i odkryç powstajà ró˝ne pomys∏y na bu-
dowanie nanostruktur.

T∏umaczy∏

Jan Kozubowski

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

39

Informacje na temat nanowytwarzania mo˝na znaleêç na nast´pujàcych stronach www:
National Nanotechnology Initiative:

www.nano.gov

International SEMATECH:

www.sematech.org/public/index.htm

Zespó∏ Whitesidesa w Harvard University:

gmwgroup.harvard.edu

Zespó∏ Mirkina w Northwestern University:

www.chem.northwestern.edu/~mkngrp/

Zespó∏ Willsona w University of Texas w Austin:

willson.cm.utexas.edu/Research/research.htm

Zespó∏ Alivisatosa w University of California w Berkeley:

www.cchem.berkeley.edu/~pagrp/

Zespó∏ Bavendiego w MIT:

web.mit.edu/chemistry/nanocluster/

Zespó∏ Montemagno w Cornell University:

falcon.aben.cornell.edu/

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

Metody „z do∏u do góry” s∏u˝à do budowania nanostruktur

z pojedynczych atomów lub czàsteczek.