Cywilizacja krasnali - postępy nanotechnologii
-
- Jarosław Badurek,
- 27.04.1998
Fizyczne granice rozwoju, jakie napotyka nasza cywilizacja, powodują poszukiwanie alternatyw dla rozwiązań klasycznych, zarówno w sferze mikroelektroniki jak i w innych dziedzinach. Jedną z możliwych dróg, jaką pójdziemy w przyszłym stuleciu, jest nanotechnologia.
Fizyczne granice rozwoju, jakie napotyka nasza cywilizacja, powodują poszukiwanie alternatyw dla rozwiązań klasycznych, zarówno w sferze mikroelektroniki jak i w innych dziedzinach. Jedną z możliwych dróg, jaką pójdziemy w przyszłym stuleciu, jest nanotechnologia.
Nanowynalazki
Nawet zreformowane gimnazja nie będą uczyły choćby podstaw greki, wyjaśnijmy zatem, że przedrostek nano, określający jednostkę miliard razy mniejszą od podstawowej, w języku Homera znaczy tyle co "karzeł" (nanos). Ale poza miernictwem niewiele znajdziemy wyrazów rozpoczynających się od tego członu. Owszem, jest znana w medycynie karłowatość - nanizm. Biolog mógłby mówić o nanoplanktonie (najmniejsze organizmy wchodzące w skład planktonu) i to chyba wszystko. Ten stan rzeczy może się jednak bardzo szybko zmienić. Już niedługo nastąpi "rewolucja" językowa podobna do tej, jaka zaczęła się kilkadziesiąt lat temu w związku z prefiksem "mikro".
Postępy technologii spowodowały pojawienie się mikrofal, a w ślad za nimi mikrofalówek (urządzeń komunikacyjnych) i kuchenek mikrofalowych. Mikroskop pokazał, że istnieje mikrofauna czy mikrofagi (krwinki białe). Poligrafia zaczęła stosować mikrodruk, a archiwiści i agenci posługiwali się mikrofilmami. Akustykę wsparł mikrofon. Można było mówić o mikrofizyce, mikrochemii, no i mikroelektronice z mikroprocesorami i mikrokomputerami na czele. Nawet mniej technologiczne dziedziny nie pozostawały w tyle - mikroekonomia, mikroklimat czy mikrosocjologia to tylko niektóre przykłady.
Oczywiście, samo słowotwórstwo nie kreuje jeszcze rzeczywistości, ale jest pewne, że ta ostatnia wyciska piętno na języku. Czy zatem można oczekiwać w najbliższych latach inwazji "nanosłów" na leksykony i encyklopedie? Wiele wskazuje na to, że tak właśnie będzie. Już dziś istnieje wiele "nanowynalazków", które postronnemu obserwatorowi na razie nasuwają skojarzenia ze światem krasnoludków czy opowieściami Guliwera. Jednak to, co obecnie jest tylko tematem rozmów w laboratoriach badawczych i fascynacją nielicznych specjalistów, "za chwilę" znajdzie się na ulicach, w naszych domach, a nawet... w nas samych! Czym jest owo COŚ i jak długo będzie trwała ta "chwila"?
Węglowa piłeczka
W latach 30. Richard Buckminster Fuller zasłynął konstrukcjami tzw. kopuł geodetycznych, którymi pokrywano wielkie hale produkcyjne czy wystawowe. Amerykański architekt nie mógł przypuszczać, że jego nazwisko zostanie związane z wielkim wynalazkiem XX wieku, nie mającym nic wspólnego z klasycznym budownictwem - fulerenem. Fuller zmarł w roku 1983, dwa lata przed otrzymaniem pierwszych fulerenów metodą odparowywania grafitu w próżni. Badania nad fulerenami uhonorowano Noblem przed trzema laty. Rok później pojawiły się natomiast nanorurki węglowe. Prestiżowe pismo amerykańskie Science uznało wówczas ten właśnie fakt za najważniejsze wydarzenie naukowe roku (obok marsjańskiej wyprawy Pathfindera i sklonowanej owieczki Dolly).
Fulereny to jedna z alotropowych postaci (odmian pierwiastka) węgla. Najbardziej znanym fulerenem jest "piłka do nogi" - cząsteczka C60. Jak wskazuje symbol, owa molekuła składa się z 60 atomów węgla, ułożonych w charakterystyczną sferę zbudowaną z 12 pięciokątów i 20 sześciokątów. Skoncentrujmy się na wymiarach tej struktury: jej średnica wynosi ok. 0,7 nm, a odległość między poszczególnymi atomami węgla ok. 0,15 nm. Wyobraźmy sobie teraz, że zamiast fulerenowych piłek mamy do czynienia z walcowatymi sferami, złożonymi z węglowych wielokątów, a owe rurki mogą mieć różne długości i kształty.
Lecz po co te wszystkie cudeńka? Otóż różnice form tych tworów idą w parze z różnicami między ich właściwościami fizycznymi. Jak wiadomo diament i wspomniany grafit to różne postacie węgla, a przecież pierwszy z nich jest izolatorem, drugi ma cechy półprzewodnika. Nie zdziwi zatem informacja, że od kształtu węglowej nanorurki zależą jej właściwości elektryczne - może być ona półprzewodnikiem, przewodnikiem, a nawet izolatorem czy wręcz nadprzewodnikiem. Oto więc wymarzony materiał dla mikro- czy raczej nanoelektroniki. Żeby jednak z takich "nanodrucików" zbudować nanokomputer, potrzebne są odpowiednie "nanonarzędzia". Czy takowymi dysponujemy?
Podaj atom
Kładąc cegłę na cegłę, można budować domy. Ba. A jak "buduje się" zwykłe cegły? W każdym razie "całościowo" - bierze się materiał potrzebny do wyrobu cegieł i każdą z nich można później potraktować jako swego rodzaju "podzbiór" masy wejściowej. Powiedzielibyśmy, że jest to metoda top-down, czyli z góry na dół albo od ogółu do szczegółu. Nanotechnolog postąpiłby odwrotnie niż fachowiec z cegielni. Zastosowałby metodę bottom-up, a więc z dołu do góry (od szczegółu do ogółu), biorąc pojedyncze atomy, powiedzmy krzemu, i innych niezbędnych pierwiastków składałby je w cegły. Nietrudno sobie wyobrazić, że "cegły" wytwarzane taką technologią będą miały zupełnie inne właściwości niż ich klasyczne poprzedniczki.
Czy to możliwe? W każdym razie coraz bardziej realne. W tym roku młoda dziedzina, jaką jest nanotechnologia, może już obchodzić pewien jubileusz. Otóż przed 40 laty autor słynnego podręcznika Feynmana wykłady z fizyki stwierdził, że nie widzi przeszkód, aby manipulować pojedynczymi atomami, tworząc pożądane przedmioty. Amerykański noblista 29 grudnia 1959 r. wygłosił słynny wykład There's Plenty of Room at the Bottom (opublikowany w Engineering and Science, California Institute of Technology, February 1960 r.). Wielki fizyk, postulując konstruowanie komputerów według obwodów złożonych z pojedynczych atomów, nie mylił się twierdząc, że mamy mnóstwo miejsca w głębi materii. Czy ta droga jest realną perspektywą technologiczną?
Wyprawa do wnętrza materii
Szybki postęp w dziedzinie badań kosmicznych w latach 60. wskazywał na oczywistą, zdawało się wtedy, misję dla ludzkości - wyjście poza Ziemię. Za prorocze uznawano takie dzieła, jak kultowy film S. Kubricka "Odyseja kosmiczna 2001". Propagandowe efekty lotów Apollo pozwalały na kreślenie śmiałych planów wypraw międzyplanetarnych, na lata 80. i 90. kończącego się stulecia. Stacjonarną bazę na Księżycu przewidywano na rok 1985. 15 lat później miało się zacząć wydobycie surowców na naszym satelicie, a baza stacjonarna miałaby istnieć już wówczas na Marsie, o lotach sond poza Układ Słoneczny nie wspominając. Co faktycznie pozostało z tych wizji? Mówiąc brutalnie - wióry i strzępy.
Niechlubnie kończy żywot stacja Mir. Szefowie programu Apollo, kosztującego ponad 25 mld ("starych") USD, nie bardzo wiedzieli, co zaksięgować po stronie zysków, nie licząc kilkuset kilogramów księżycowego gruzu. Przykłady te dobitnie świadczą o tym, że nie polecimy na inne planety, jeśli nie będziemy twardo stąpać po ziemi. Królowa Izabela poparła przecież wyprawy Kolumba zakładając, że będą one dochodowe. Faktycznie, w kategoriach ekonomicznych było to zapewne najbardziej intratne przedsięwzięcie w dziejach ludzkości, a wielki włosko-portugalski żeglarz już podczas drugiej ekspedycji dysponował 17 statkami (w pierwszej dowodził ledwie trzema). Choć nie wolno zapominać, że późniejsza, brutalna konkwista była działaniem wielce wątpliwym moralnie. Lecz także podczas "wypraw nanotechnologicznych" nie uciekniemy od ich wymiaru finansowego.
Czy przyjemnie było tym, którzy się odpowiednio "wcześnie urodzili", obserwować na żywo w telewizji "mały krok dla człowieka i wielki dla ludzkości", jaki stawiał na Srebrnym Globie Neil Armstrong 21 lipca 1969 r.? Z pewnością były to niezapomniane przeżycia. Młodszym, paradoksalnie, takie doświadczenia są niedostępne. Czy chcielibyśmy zobaczyć podobne sceny np. z wyprawy na Czerwoną Planetę? Zdecydowanie, tak. A czy chcielibyśmy, by w związku z tym podniesiono nam podatki? Pewnie, że nie. Czy jest jakieś wyjście z tych sprzeczności? Ależ tak! W kosmos idą przecież całe armady, już nie setek, ale wręcz tysięcy sztucznych satelitów. Tyle że w służbie bardzo pożądanej i dochodowej telekomunikacji. Preliminarz, pardon - biznesplan, nanotechnologiczny musi się zatem również realnie bilansować. Na szczęście, wiele wskazuje na to, że tak się właśnie będzie działo.
Nowy świat
Niewątpliwie "zdobycie" mikrokosmosu kwantów i kwarków oznaczałoby dla naszej cywilizacji większy przełom niż odkrycie Nowego Świata. Rzeczywistość przerosłaby obrazy znane dotąd jedynie z fantastycznych filmów:
Byłaby to cywilizacja, w której nanokomputery znalazłyby się dosłownie w każdej klamce i każdym guziku od koszuli. Owe wszechobecne nanokrasnoludki połączyłyby się zapewne kiedyś w rodzaj globalnej sieci nanointernetowej, tworząc nowy rodzaj "myślącej" materii. Takie wizje mogą wywoływać dreszcz przestrachu przed NOWYM, ale przecież mdleliśmy też w pierwszych lokomotywach, a jednak jedziemy wciąż dalej i dalej. Kiedy będziemy odpowiednio "daleko"? Aktualne doniesienia wskazują na możliwość pojawienia się pierwszych komercyjnych nanoproduktów już w najbliższej dekadzie. W obszarze elektroniki wynikałoby to choćby z prawa Moore'a, które zmusi technologów do zejścia z poziomu mikro do nano.
Są już żarówki cieńsze niż włos i pompy o pojemności milimetra sześciennego, a także turbinki z kółkami zębatymi o średnicy rzędu dziesiątków mikrometrów. Odkrywamy zatem koło na nowo tyle, że w mikroświecie. To jeszcze nie jest nanoświat, ale pamiętajmy, że bez fanfar, towarzyszącym początkom zdobywania makrokosmosu przez Rosjan i Amerykanów, mamy już za sobą pierwsze udane "lądowania na atomach". Przed nami kolejne wyprawy, do galaktyk wielkości łebka szpilki i odległych o wyciągnięcie ręki.
IBM pod mikroskopem
Takie ekspedycje stały się realne od roku 1982, kiedy to Binnig i Rohrer (IBM) skonstruowali skaningowy mikroskop tunelowy, SMT (nagroda Nobla w roku 1986). Rozdzielczość aparatury mówi sama za siebie: 0,1 nm. Czubek tego najprecyzyjniejszego urządzenia, jakie wytworzył człowiek, w skrajnym przypadku składa się tylko z pojedynczego atomu. Przy jego użyciu w 1989 r. badaczom z laboratoriów IBM udało się napisać nazwę firmy za pomocą zaledwie 35 atomów ksenonu umieszczonych na niklowej powierzchni.
Dodajmy, że do operowania w obszarze izolatorów stosuje się odmianę SMT - AFM (Atomic Force Microscope), wariant zaś najnowszy to aparaty typu SQID (Superconducting Quantum Interference Device). Owa "kałamarnica" (squid) posiada "zmysł dotyku", sterowany mikroskopijnymi polami magnetycznymi. Są to urządzenia wciąż bardzo drogie, ale ich ceny szybko spadają - w ubiegłym roku firma Seiko zaprezentowała AFM w cenie 30 tys. USD (trzykrotna obniżka). Jednocześnie powstaje coraz więcej firm z obszaru nanotechnologicznego. Już same nazwy, jakie się w tym kontekście pojawiają, dają wiele do myślenia - Nanocomm (nanokomunikacja), Nanoventures (aplikacje), a nawet Nanotainment (kształcenie i rozrywka). Rozrzut zainteresowań jest zatem spory, ale to właśnie nie jest niczym dziwnym, zważywszy że nanotechnologia to niebywały postęp, dotyczący każdego zakresu naszego życia.
Już tylko pojedyncze nanowynalazki w jednym obszarze, jeśli zostaną wprowadzone do seryjnej produkcji, będą zmieniać inne dziedziny. Jeśli spojrzymy na informatykę, to przełomem będzie zarówno skonstruowanie nanokomputera (złożonego np. z kropek kwantowych), jak i zastosowanie nanomateriałów do budowy komputera, według typowych obecnie koncepcji, tyle że o rzędy wielkości szybszego i pojemniejszego.
Stoliczku, zbuduj się
Należy podkreślić, że praktyczne i bezpośrednie osiągnięcia nanotechnologiczne są obecnie skromne. Owszem, pojawiają się doniesienia o pojedynczych nanobramkach czy nanokomórkach, mogących działać jak komputerowa pamięć. Nie należy wszakże zapominać o długiej drodze "od pomysłu do przemysłu". Warto jednak już dziś myśleć o przyszłości - kto tego nie czyni, przegrywa nie tylko przyszłość, ale i teraźniejszość. Statyczne konstruowanie przedmiotów z nanoelementów to wielkie osiągnięcie, ale dlaczego nie pójść dalej i nie zmusić materii do "samobudowania się" zgodnie z naszymi potrzebami?
Newton doszedł do wielkich odkryć, podziwiając właściwości spadającego jabłka. No cóż, sir Izaak miał rację, szukając w przyrodzie doskonałości i odpowiedzi na pytania z nią związane. Helikopter usiłuje naśladować zwinną ważkę, łódź podwodna chciałaby mieć takie właściwości, jak długowieczne ryby głębinowe, a niedościgłym wzorcem dla komputerowej inteligencji jest ludzki mózg. Pójdźmy zatem tym tropem i weźmy raz jeszcze do ręki jabłko. Czy nie jest to skomplikowana struktura? I to jak jeszcze! A do tego ów niezwykle złożony twór sam się powiela, a przy tym niewiele kosztuje.
A wszystko bierze się niemal dosłownie z powietrza. Prawda, że owo powietrze przenikają słoneczne promienie, a czasem krople deszczu. No i nie zapomnijmy o matce-ziemi, która po prostu jest. To wszystko. I tyle wystarczy, aby galaktyki atomów ułożyły się w cudowny zestaw smakowo-zapachowo-optyczno-dotykowy, przyjmując postać papierówki czy innego makintosza. Więcej, taka owocowa galaktyka - też tak sama z siebie - potrafi się znakomicie powielać. O samodoskonającej się ewolucji już nie wspominajmy. Czyżbyśmy nie potrafili naśladować tego, co może zwykłe jabłko?
Niestety, nie. Lecz być może kiedyś nam się uda, na razie zaś wiele możemy się nauczyć od jabłek. Tak więc "jabłkowy model" rozwoju nanotechnologii mógłby wyglądać następująco:
Pierwsza faza oznacza "ponowne wynalezienie koła", czyli konstruowanie znanych nam urządzeń, tyle że mających rozmiary o kilka rzędów wielkości mniejszych. W tej fazie pojawiają się także nanomateriały o nowych jakościowo właściwościach.
W fazie drugiej nanoroboty sterowane komputerowo potrafiłyby molekularnie konstruować przedmioty materialne według zadanego programu. W szczególności oznaczałoby to zadziałanie mechanizmu samoreplikacji (samobudowy).
Faza trzecia to wyposażenie nanomaterii w wiedzę ewolucyjną, co pozwoliłoby jej na samodoskonalenie się.
Nanoekonomia
Ten ostatni punkt to perspektywa bardzo odległa. Przede wszystkim musielibyśmy mieć pełniejszą wiedzę na temat mechanizmów działania RNA-DNA czy ludzkiego genomu (zastosowania medyczne). Wreszcie wyposażenie nanorobotów w ewolucyjną wiedzę sztucznej inteligencji wymagałoby zastosowania określonego oprogramowania, którego dzisiaj nie mamy nawet w obszarze makroinformatyki. Również osiągnięcie poziomu samopowielania się nanomaterii (drugi poziom "jabłkowego modelu" rozwoju nanotechnologii) wymagałoby stabilnego opanowania tych mechanizmów w świecie makro.
Mamy w tym zakresie pewne osiągnięcia - komputerowo wspomagane wytwarzanie, bezludne fabryki. Być może warto by jednak pójść inną drogą: zamiast doskonalić "mechanikę wytwarzania", spróbować zaprząc dla naszych celów biologię - rybosomy, wirusy, bakterie. Gdyby się to udało, można by wytwarzać nawet bardzo złożone wyroby w cenie np. jabłek. W ten sposób supernowoczesne generacje mikrochipów przyszłości powstawałyby nie w sterylnych fabrykach, a, powiedzmy, na zwykłej pryzmie kompostowej, stanowiącej pożywkę dla nanoorganizmów.
W takim układzie koszt produkcji telewizora składanego przez nanoroboty byłby podobny do kosztów wytwarzania oprogramowania. Owszem, przy pierwszym egzemplarzu nakłady związane z napisaniem programu mogą być dość wysokie, ale jego skopiowanie warte jest tyle, co cena nośnika danych, czyli dosłownie grosze. Oczywiście, nie należy zapominać o cenach za prawo do korzystania z software'u (licencja), ale przy produkcji masowej nie muszą być one wygórowane. Tak, to prawda, cena telewizora musiałaby być nieco większa z uwagi na ilość materii potrzebnej do jego wytworzenia.
W tym przypadku "nośnik" danych ważyłby kilka czy kilkanaście kilogramów, ale zasada produkcji byłaby podobna jak w informatyce - płacilibyśmy głównie za wiedzę "zaszytą" w materialnym przedmiocie. Nanoekonomia oznaczałaby, że wiedzę trzeba by wytworzyć tylko raz, reszta to jej kopie, przyjmujące fizyczną powłokę o pożądanych cechach. Mielibyśmy tu do czynienia ze spotęgowaniem się działania już dziś dostrzegalnych praw, wykraczających poza tradycyjne reguły ekonomiczne. Nanotechnologia implikuje zatem gospodarkę, w której informacja jest najważniejszym towarem, a manewr informacją jest najważniejszym procesem.
Czekając na cykl
Ważąc się na prognozy rozwoju nanotechnologii, nie sposób czynić tego w oderwaniu od cykliczności rozwoju naszej cywilizacji. Wszelkie istnienie i rozwój są zawsze związane z cyklicznością. Odnajdziemy ją w oddychaniu i dobowym rytmie naszej aktywności, w wymianie pokoleń i przebiegu historii, w ruchach planet czy w pracy tłoków silnika. Otaczające nas cykle mają różną długość i różne amplitudy, ale spotkać je można niemal wszędzie. Również w postępie technicznym. Nanotechnologia jest bardzo młodą dziedziną i trudno byłoby wyrokować o prawidłowościach rządzących jej rozwojem. Można jednak próbować powiązać te postępy z przełomami, które cyklicznie zmieniają obraz świata.
Cykliczność rozwoju gospodarki jest dobrze znana co najmniej od czasów Clementa Juglara, notabene francuskiego lekarza, który opublikował własną teorię wahań koniunkturalnych ok. półtora wieku temu. Klasyczny cykl koniunkturalny (kryzys, depresja, ożywienie, rozkwit) trwa kilka lat i można zaobserwować go także współcześnie. Oczywiście, cykliczność jest zaburzona, m.in. wskutek interwencjonizmu państwowego, amplituda wahań - spłaszczona, niemniej samo zjawisko, jako cecha systemów gospodarczych, występuje. Co ciekawsze, oprócz cyklów krótszych, występują też znacznie dłuższe, np. cykle Kondratiewa: 45-60 lat, czy cykle Ewijka: 150-180 lat.
Możemy więc przyjąć, że co najmniej cykle Kondratiewa dotyczą także zmiany paradygmatów cywilizacji. Jak może on przebiegać? Przyjmijmy, że kryzys jest jego początkiem. Rośnie wówczas gotowość do podjęcia ryzyka i przechodzenia na nowe technologie, które mają gwarantować wyższą efektywność (stare już się zużyły). Ssanie technologiczne ze strony rynku owocuje nowymi wynalazkami i ideami. A to jest właśnie zmiana obowiązujących paradygmatów. Później następuje faza nasycenia, wreszcie kolejny kryzys i kółko się zamyka. Gdzie jesteśmy obecnie?
Koniec II wojny światowej przyjmuje się za przełom między trzecim a czwartym cyklem Kondratiewa. Druga część kończącego się czwartego cyklu (recesja) zaczęła się w latach 70. Należy podkreślić, że mówimy tu o zależnościach globalnych, a nie o lokalnej, w czasie i przestrzeni, sytuacji np. poszczególnych państw. Niemniej możemy przyjąć, że właśnie wkraczamy w piąty cykl Kondratiewa, co wskazywałoby na możliwość realizacji pierwszej z wymienionych faz rozwoju nanotechnologii, w ciągu najbliższych kilku czy kilkunastu lat.
Z kolei trwający obecnie bardzo długi cykl Ewijka zaczął się w okresie I wojny światowej. Jego druga część też zaczęła się w latach 70. Wynikałoby z tego, że kolejnego przełomu cywilizacyjnego możemy oczekiwać w latach 2030-2050. Być może właśnie wtedy urzeczywistni się druga, a może nawet trzecia faza nanotechnologicznego rozwoju. Potwierdzają to również wypowiedzi koryfeuszy nanotechnologii, którzy przewidują rozpowszechnienie się nanokomputerów za około 40 lat.
Dr inż. Jarosław Badurek jest pracownikiem koncernu Unilever, naukowo współpracuje z Politechniką Gdańską.
