Wyprawa do wnętrza materii

Nanotechnologia, obok robotyki i genetyki, urasta do rangi kluczowej technologii XXI w. Informatyka, będąca spoiwem dla tych trzech dziedzin, zyskuje na znaczeniu.

Nanotechnologia, obok robotyki i genetyki, urasta do rangi kluczowej technologii XXI w. Informatyka, będąca spoiwem dla tych trzech dziedzin, zyskuje na znaczeniu.

Zejdźmy na ziemię, inaczej nigdy nie polecimy na inne planety. W taki aforystyczny sposób można by podsumować efekty, przyjętej przez naszą cywilizację linii badań kosmicznych, w latach 60. - ich kulminacją był "mały krok dla człowieka i wielki dla ludzkości", uczyniony stopą Neila Armstronga 20 lipca 1969 r. Czy coś może łączyć załogowe loty kosmiczne z nanotechnologią? Z pewnością tak. W obu przypadkach mamy do czynienia z podstawowym paradygmatem rozwoju ludzkości: ekspansją.

To ta zasada kazała Kolumbowi w 1492 r. skierować Santa Marię, Pintę i Ninję w kierunku Nowego Świata. Ten sam motyw przyświecał Kopernikowi, kiedy "wstrzymywał" Ziemię. Podobnie też myślał inny renesansowy geniusz: Leonardo da Vinci, kreśląc plany swych latających machin, stulecia przed braćmi Wrigt. A więc naprzód, dalej, wyżej i szybciej. W XX wieku zrozumieliśmy, że ekspansji można dokonywać zarówno w kierunku makro, jak i mikro. Że świat jest nieskończony zarówno "w górę", jak i "w dół". Od planetarnych układów do gwiezdnych galaktyk, ich gromad i supergromad, aż do gigantycznych struktur niebieskich, takich jak Wielka Ściana: gigantyczne skupisko galaktyk o wymiarach 500 x 20 milionów ly (light year - rok świetlny).

Jesteśmy zatem na początku drogi do wszechświata, ale mamy też i drugi kierunek rozwoju: w głąb. Tę właśnie drogę wybrali badacze z amerykańskich laboratoriów IBM, którzy w 1991 r., bez fanfar towarzyszącym początkom zdobywania makrokosmosu, dokonali spektakularnego "lądowania na atomach": napisali oni nazwę swojej firmy na warstwie niklu, przy użyciu 35 atomów ksenonu. Zbliżmy się zatem do wizji pokazanej przez twórców brytyjskiego filmu Fantastyczna podróż: bohaterowie opowieści wchodzą do łodzi podwodnej, po czym, po odpowiednim zmniejszeniu, zostają po prostu wstrzyknięci w krwioobieg choremu, niczym zwykły zastrzyk, aby odbyć postverne'owską "podróż do wnętrza organizmu" i wykonać przewidziany zabieg medyczny.

Feynman się nie mylił

Szukając początków nanotechnologii, należy cofnąć się do 29 grudnia roku 1959. W tym dniu na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizyki w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym Richard P. Feynman wygłasza słynny wykład There's plenty of room at the bottom, pokazując, jak wiele miejsca mamy w głębi materii. Na początku wykładu (Engineering and Science, February 1960, California Institute of Technology) późniejszy noblista zadał pytanie: "Dlaczego nie moglibyśmy zapisać zawartości 24 tomów Encyklopedii Britannica w główce szpilki" - sugerując, że będzie to możliwe ok. 2000 r.

Czy tak stało się rzeczywiście? Na co dzień dysponujemy mediami pamięciowymi (dyski) o gęstości rzędu 10 Gb/cal2. Takie wartości osiągnięto np. na 2,5" dyskach Hitachi. Jeszcze więcej uzyskano w laboratoriach Seagate. Przyjmijmy zatem, nie wnikając w to, gdzie i za ile można takie dyski kupić, że mamy media o pojemności 25 Gb/cal2 (na najnowszych mediach Fujitsu przekroczono niedawno granicę 55 Gb/cal2). Kilka prostych obliczeń przekona nas, że taka gęstość daje możliwość zapisania na jednym calu kwadratowym 24 tomów, o objętości ok. 65 tys. stron standardowego maszynopisu.

No cóż, nie moglibyśmy jeszcze dzisiaj oferować wielkiemu amerykańskiemu fizykowi szpilki z jego ulubioną encyklopedią, ale guzik od koszuli już tak. Z pewnością profesor byłby zadowolony z uzyskanego efektu ilościowego, ale miałby rację, mówiąc, że doszliśmy do niego metodami, które nie są ideałem nanotechnologii.

Owocowe galaktyki

Do tej pory mówiliśmy bowiem o miniaturyzacji. O ciągłym zmniejszaniu tego co już mamy. Ze sporej lampy elektronowej robimy mniejszy tranzystor, a potem jeszcze mniejszy ("gęściejszy") układ scalony. Nanotechnologia nie zmniejsza, wręcz przeciwnie: zwiększa! Ona od razu zachwyca się "małym, które jest piękne", bierze je w swe władanie i konstruuje "duże". Ta czarodziejska technologia nie mówi "stoliczku zmniejsz się", ale "stoliczku zbuduj się". Jak to działa?

Newton doszedł do wielkich odkryć, podziwiając spadające 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 jeszcze raz jabłko do ręki. Czyż nie jest to skomplikowana struktura? I to jeszcze jak! Ponadto ten niezwykle złożony twór sam się powiela.

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. Wszystko. I tyle wystarczy, aby całe 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, nie mówiąc o samodoskonalącej się ewolucji. Czyżbyśmy nie potrafili naśladować tego co może zwykłe jabłko?

Niestety, nie. Ale może kiedyś nam się uda, na razie wiele się możemy od jabłek nauczyć.

Tak więc "jabłkowy model" rozwoju nanotechnologii mógłby wyglądać następująco:

1. Nanotechnologia statyczna

2. Nanotechnologia dynamiczna

3. Nanotechnologia ewolucyjna

Pierwsza faza oznacza "ponowne wynalezienie koła", z tym że w wersji "nano", czyli konstruowanie znanych nam urządzeń, 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.

Cywilizacja dla krasnali

Oczywiście, w tym miejscu chciałoby się zapytać: kiedy będziemy mogli tego doświadczyć? Kiedy uda nam się stworzyć nową cywilizację i kulturę techniczną o rzędy wielkości precyzyjniejszą niż obecna. Takie pytanie zadano specjalistom w amerykańskim piśmie Wired. A oto odpowiedzi:

* 2005 r. - pierwsze produkty komercyjne, biosensory mierzące poziom cukru we krwi, media pamięciowe, mające warstwy molekularne, modyfikowane mikroskopią tunelową

* 2010 r. - roboty molekularne (nanoboty), w dziedzinie prawnej normy nanotechnologiczne

* 2030 r. - sprzężenie genetyki i nanotechnologii, zmodyfikowane wirusy jako automaty leczące chore komórki

* 2040 r. - nanokomputery.

Na razie przymierzamy się do pierwszej fazy "jabłkowego" modelu rozwoju nanotechnologii. Trzeba bowiem

pamiętać, że mamy już za sobą fazę "zerową" nanotechnologii, która może być traktowana jako rodzaj nanotechnologii klasycznej. Przede wszystkim należy tu wskazać na doświadczenia związane z produkcją nanomateriałów, wytwarzanych w okresie ostatnich 20, 30 lat.

Materiały te, mające charakter nanokrystaliczny (nanofazowy), swe związki z nanotechnologią zawdzięczają przede wszystkim rozmiarom swoich agregatów atomowych (kilkadziesiąt nm).

Należy jednak podkreślić, że powstają one w sposób "całościowy", tzn. w drodze takich procesów, jak kondesacyjno-temperaturowo-osadowe, synteza mechaniczna bądź biologiczna czy też ekstremalne odkształcenia plastyczne. Nie to jest jednak nanotechnologicznym ideałem; posłużmy się przykładem z budownictwa. Kładąc cegłę na cegłę, można budować domy. Ba. A jak "buduje się" cegły? W każdym razie również "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 zupełnie 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 inne właściwości niż ich klasyczne poprzedniczki. A aktualnie potrafimy w kontrolowany sposób operować atomami krzemu za pomocą skanujących mikroskopów tunelowych (STM - Scanning Tunneling Microscope).

Zegarmistrz świata

Prawdziwy przełom nanotechnologiczny nastąpi jednak wtedy, gdy uda nam się przejść do fazy drugiej -nanorobotycznej. Trudno bowiem byłoby dojść do "samobudujących się" stolików metodą żmudnego ich składania za pomocą nanoskopów. Chodzi tu bowiem o biliony i biliardy atomów. Do zdobycia nowego, wspaniałego świata potrzeba też nowych wspaniałych "zegarmistrzów". Takim rzemieślnikiem miałby stać się nanorobot - urządzenie mikroskopijnych wymiarów zdolne do manipulowania poszczególnymi atomami w celu wytwarzania np. przedmiotów codziennego użytku.

Zanim do tego dojdzie nanorobot powinien stać się samoreplikantem, a więc posiąść zdolność budowania samego siebie (swojej kopii), czyli samopowielania się. Aby zdać sobie sprawę z trudności zadania, warto pamiętać, że rozmiary chorobotwórczych wirusów wahają się od kilkunastu do kilkuset nanometrów. Nie koniec jednak na tym. Prędzej czy później w nanoświecie musi dojść do przełomów, jakie już znamy w wersji makro. Powstaną nanokomputery, najpierw jako samodzielne konfiguracje (stand alone), potem zaczną łączyć się w grona (nanoclusters), w lokalne nanosieci LANN (Local Area NanoNetwork). Wreszcie doczekamy się nanoinfostrad i nanointernetu. To już w istocie nowy rodzaj materii, która sterowana nanooprogramowaniem będzie zdolna do samodoskonalenia się - tak powstanie nowy rodzaj świadomości i inteligencji.


TOP 200