Nanotechnologia

Ideę nanotechnologii czyli budowy mikroskopijnych urządzeń zwanych nanorobotami lub nanobotami jako pierwszy sformułował w 1959 roku Richard Feynman, laureat nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, który stwierdził, że kiedy możliwe stanie się manipulowanie pojedynczym atomem, naukowcy będą w stanie uzyskać w drodze syntezy absolutnie wszystko.
Naukowcy pragną stworzyć nanoboty, których wielkość nie przekraczałoby milionowych części metra. Byłyby to podobne do cząsteczek białka, które już obecnie mogą być zaprogramowane przez specjalistów od inżynierii genetycznej do tego, by się zmieniać i poruszać. Pod kontrolą nanokomputerów, nanoboty mogłyby przechwytywać pewne molekuły i grupować je w pewne określone struktury (na rysunku obok). W ten sposób z szeregu różnych materiałów powstawałyby zupełnie nowe obiekty. Przy użyciu atomów węgla nanoboty mogłyby, przynajmniej teoretycznie, zbudować niemalże każdą rzecz.
W 1981 roku w laboratorium badawczym IBM wynaleziono skaningowy mikroskop tunelowy (SMT), który służy do badania powierzchni ciał w skali atomowej. Kilka lat później naukowcy pracujący dla IBM wykorzystali STM do ułożenia 35 atomów ksenonu tak, by utworzyły one logo IBM. Niestety wszystko to odbywało się w bardzo niskich temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Dzięki temu doświadczeniu inni naukowcy zdali sobie sprawę, że możliwe stało się tworzenie nowych konfiguracji atomów. Ideą budowy mikroskopijnych maszyn interesuje się wiele koncernów przemysłowych i rządowych grup badawczych.

Skonstruowano tranzystory z pojedynczych cząsteczek chemicznych

Im mniejsze, tym lepsze - ta zasada obowiązuje w elektronice już dobre pół wieku.
W czerwcu 2002 roku dwie grupy badaczy niezależnie od siebie doniosły, że udało im się skonstruować tranzystory z pojedynczych cząsteczek związku chemicznego.
Tranzystor - mówiąc w wielkim uproszczeniu - to przełącznik. Na żądanie albo przepuszcza prąd w obwodzie, albo go blokuje. Może też go odpowiednio wzmacniać. Mózgi współczesnych komputerów - mikroprocesory - to nic innego jak miliony tranzystorów upakowanych na krzemowych płytkach. Naukowcom i inżynierom zależy na tym, by upakować ich jak najwięcej w jednym układzie elektronicznym takim jak mikroprocesor z komputera. Im gęściej upakowane są tranzystory w mikroprocesorze, tym jest on sprawniejszy, potrzebuje mniej energii, no i co ostatnio najważniejsze - szybciej działa. Granicą miniaturyzacji wydaje się właśnie tranzystor z pojedynczej cząsteczki związku chemicznego.

Tranzystor z Cornell University: pojedyncze atomy kobaltu (granatowe) są utrzymywane w miejscu przez molekuły pirydyny (jasnoniebieskie), umocowane na zewnątrz atomy siarki (czerwone) łączą układ ze złotymi elektrodami.

Obie grupy naukowców jako podstawy swojej konstrukcji użyły złotego drutu o średnicy zaledwie 200 nanometrów (wielokrotnie cieńszego od ludzkiego włosa) ułożonego na podłożu z krzemu. Grupa z Cornell wybrała duży kompleksowy związek organiczny zawierający w środku atom kobaltu, grupa z Harvardu cząsteczkę z dwoma atomami wanadu połączonymi łańcuchami atomów węgla i azotu.
Czy to oznacza, że już za chwilę elektronicy porzucą badania nad krzemem i zwrócą się ku tranzystorom molekularnym?
Na razie nie ma o tym mowy bowiem krzemowe obwody elektroniczne mają kilka zalet, na razie niedostępnych elektronice molekularnej. Są wydajniejsze, szybsze i prostsze w produkcji, a co za tym idzie - o wiele tańsze. Nawet jeżeliby miało się okazać, że nanotranzystory nigdy nie staną się konkurencją dla krzemu przy konstruowaniu mikroprocesorów, to może znajdą inne zastosowania np. w czujnikach i nowoczesnych pojemnych pamięciach, które znajdą zastosowanie w przenośnych komputerach, dyktafonach i aparatach cyfrowych, a nawet kamerach. Poza tym jest to szalenie istotne dla zrozumienia podstawowych procesów chemicznych i biologicznych.

Nanorurki węglowe

Od momentu odkryciu fulerenów, czyli molekuł składających się z 60 (lub więcej) atomów węgla, liczne laboratoria naukowe no świecie zaczęły zajmować się wieloatomowymi formami węglowych molekuł. W trakcie eksperymentów stwierdzono, że występują one również w postaci rurek o długości znacznie przekraczającej ich średnicę. Nazwano je nanorurkami.
Węglowe nanorurki maja średnicę około 1,5 nanometra, a więc 10000 razy mniejsza od grubości ludzkiego włosa. Przypominają arkusz siatki drucianej z sześciokątnymi oczkami zwinięty w rurkę. W Ameryce działa firma badawczo - rozwojowa, która już oferuje do sprzedaży nadwyżki produkowanych w swoich laboratoriach fulerenów C-60, a także nonorurek węglowych.
W zależności od swojej struktury nanorurki mogą zachowywać się jak metal albo półprzewodnik. Ostatnie pomiary na uniwersytecie Maryland wykazały, że nanorurki są bardzo dobrymi nadprzewodnikami. Tranzystory zbudowane z nich świetnie się spisują w temperaturze pokojowej. Według ekspertów węglowe nanorurki mają szansę wyprzeć krzem z układów scalonych w ciągu najbliższych dziesięciu lat. Trzeba jednak opracować nową technologię produkcji tego materiału poniważ obecnie jest to proces powolny i kosztowny.
Nanorurki są również niezwykle wytrzymałymi materiałami i maja dobre przewodnictwo cieplne. Te cechy spowodowały duże zainteresowanie nimi pod kątem możliwości wykorzystania w urządzeniach nanoelektronicznych i nanomechanicznych. Dzięki lepszemu i głębszemu zrozumieniu właściwości elektrycznych węglowych nanorurek i emitowania przez nie światło, można mieć nadzieję na przyśpieszenie tempa rozwoju nanooptoelektroniki.
W 2003 roku roku Ajay Sood z Indyjskiego Instytutu Nauki w Bangalore opisał zjawisko wytwarzania energii elektrycznej przy przepuszczaniu wody poprzez węglowe nanorurki. Rok później odkrył, że podobny efekt występuje przy przepływie gazu. Na przykład argon, płynąc z prędkością 11 metrów na sekundę nad nachyloną pod kątem 45 stopni węglową nanorurkę o pojedynczej ścianie generuje napięcie 5,6 mikrowolta (mikrowolt to milionowa część wolta). Także tlen i azot (czyli również powietrze) generują napięcie w takich materiałach, jak miedź i niektóre półprzewodniki. Zjawisko jest związane ze zmianą ciśnienia i temperatury przy uderzaniu cząsteczek gazu w nachyloną powierzchnię nanorurki. Napięcie powstaje dzięki różnicom temperatur na powierzchni próbki. Nawet ludzki oddech skierowany na nachyloną próbkę nanorurek daje możliwe do zmierzenia napięcie kilku mikrowoltów
Cirekawe jakie jesszcze niespodziewane własności kryją nanorurki?

Najmniejsze źródło światła

W laboratoriach IBM stworzono najmniejsze źródło światła. Nowe źródło światło ma postać pojedynczej nanorurki węglowej o średnicy 1,4 nanometra (nanometr jest jednomiliardowa częścią metra, czyli jednomilionowa częścią milimetra) ułożone w konfiguracji trójelektrodowego tranzystora polowego. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego tranzystora polowego doprowadzenie niskiego napięcia do elektrody bramki tranzystora włącza przepływ prądu od jednego końca nonorurki do drugiego (od źródła do drenu tranzystora).
Naukowcom z IBM udało się opracować urządzenie jednocześnie wstrzykujące do pojedynczej nanorurki węglowej ładunki ujemne (elektrony) - od strony elektrody źródła, oraz ładunki dodatnie ("dziury") - od strony elektrody drenu. Kiedy elektrony i dziury spotykały się wewnątrz nanorurki, następowało ich zobojętnianie, czemu towarzyszyła emisja światła podczerwonego.
Ponieważ takie źródło światła jest w istocie tranzystorem, to emisję światła można włączać i wyłączać za pomocą napięcia doprowadzanego do elektrody bramki. Elektryczne sterowanie emisją światła zachodzącą w nanorurkach umożliwia prowadzenie subtelnych badań zjawisk fizyki optycznej, mających miejsce w tych unikalnych jednowymiarowych strukturach. Naukowcy IBM stwierdzili, że emitowane jest światło o długości fali 1,5 mikrometra, co ma duże znaczenie praktyczne, ponieważ w wielu optycznych systemach łączności światło o takiej właśnie długości fali jest powszechnie używane. Nanorurki o różnej średnicy mogą wytwarzać światło o innej długości fali, użyteczne w wielu zastosowaniach.
Opracowano na podstawie czasopisma "Młody Technik"

Komputer kwantowy

Nasze komputery są coraz mniejsze i coraz szybsze. Miniaturyzacja ,ma jednak granice, które wyznaczają zasady fizyki. Zmniejszanie powoduje w pewnym momencie, że pojawi się nowa jakość - istotny wpływ na przebieg zjawisk zaczną mieć efekty kwantowe. Są nowe pomysły aby zbudować komputer kwantowy. Byłby to komputer szybszy, ale nie dlatego, że jest jeszcze mniejszy lecz mógłby działać wielotorowo, wykonując szereg zadań jednocześnie. Możliwe jest to dzięki niezwykłym prawom rządzącym kwantowym światem, w którym jednocześnie mogą przebiegać całkowicie różne procesy.
Klasyczny bit (elementarna jednostka informacji) przyjmuje tylko jedną z dwóch wartości: zero albo jedynkę. W nowej teorii odpowiednikiem klasycznego bitu jest bit kwantowy, zwany qubitem. Dlatego też układ, który znajduje się w stanie kwantowym, jest swoistą kombinacją klasycznego zera i jedynki. Mówiąc w przybliżeniu, qubit może być trochę jedynką i trochę zerem jednocześnie! Komputer kwantowy może więc jednocześnie wykonać wiele rachunków równolegle.
Zespół z IBM po raz pierwszy zbudował prymitywny komputer kwantowy, którego cząsteczka znajduje się obok. Realizuje on algorytm Petera Shora rozkładający liczbę 15 na czynniki pierwsze. Każdy z pięciu atomów fluoru i obydwa atomy węgla ¹³C działają jako qubity. Programowanie odbywa się przy użyciu fal radiowych, odczytywanie wyników wymaga zastosowania techniki jądrowego rezonansu magnetycznego. Nie wiadomo czy prawdziwy komputer kwantowy kiedykolwiek zostanie zbudowany. Pierwszy krok został wykonany. Czekamy na dalsze wyniki badań.

---