Czy są granice miniaturyzacji?

Tomasz Rożek: Nie ma pan, panie profesorze, wrażenia, że termin "nano" jest często nadużywany?

prof. Andrzej Huczko: - Nowinki zawsze są chętnie wykorzystywane przez media, dziennikarzy i naukowców. To coś, co przyciąga zainteresowanie. W przypadku mediów zainteresowanie oznacza wzrost liczby czytelników czy słuchaczy. W przypadku naukowców często oznacza fundusze. I zawsze - na tym wstępnym etapie - jest hurraoptymizm. Nie wszystko, co się dzisiaj mówi, mam tutaj na myśli przede wszystkim media, ma jakiekolwiek poparcie w faktach. Choć oczywiście uważam, że w nanotechnologii jest wiele aspektów bardzo interesujących i wartych uwagi.

Czym w ogóle jest nanotechnologia?

- "Nano" pochodzi od greckiego słowa nannos, oznaczającego coś bardzo małego. Mianem "Nano di corte" we Włoszech, jak dowiedziałem się od mojej koleżanki Włoszki, określano kogoś w rodzaju dworskiego błazna-trefnisia, karzełka. W naukach ścisłych nano jest przedrostkiem wszelkich miar używanym dla oznaczenia jednej miliardowej części danej wielkości. I tak może być nanolitr, nanogram, nanometr. Ten ostatni to miliardowa część metra. Dzisiaj coraz częściej słyszy się o nanomateriałach, nanonauce, nanobadaniach i nanotechnologiach. Te nowe dziedziny dotyczą badań natury i właściwości świata bardzo małych rozmiarów i bardzo małych odległości.

Co jest takiego interesującego w tych małych rozmiarach?

- Zacznę od historii. W latach 50. XX wieku amerykański noblista, fizyk Richard Feynman, został zaproszony na seminarium Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego i wygłosił tam wykład. Jego myślą przewodnią było zdanie, które zresztą padło z ust autora: "There is plenty of room at the bottom", co w tłumaczeniu na polski znaczy mniej więcej: "gdzieś tam na dole jest dużo miejsca". Feynmanowi chodziło zapewne o to, że człowiek w zasadzie poznał już olbrzymią większość praw chemicznych i fizycznych, które rządzą światem. Ten świat działa dlatego, że materia potrafi się sama reprodukować, sama odradzać. Istnieje coś, co można by nazwać obiegiem materii w przyrodzie. Mówiąc "przyroda", mam na myśli nie tylko Ziemię, ale cały Wszechświat. Niestety, chociaż to działa, jesteśmy bardzo dalecy od zrozumienia, jak ten proces naśladować.

- Nie chodzi o budowę sztucznych gwiazd, gdzie następuje synteza, łączenie lekkich pierwiastków w cięższe. Chodzi o procesy fizykochemiczne czy biologiczne, z którymi mamy do czynienia tutaj, na Ziemi. Feynman zastanawiał się, jak naśladować naturę, która z atomów i cząsteczek, działając za pomocą katalizatorów (na przykład enzymów), potrafi tworzyć większe, olbrzymie, piękne struktury funkcjonalne, takie jak chociażby białka czy cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością - i mechaniczną, i energetyczną. Innymi słowy, człowiek powinien spróbować nauczyć się naśladować przyrodę, tworzyć układy złożone wychodząc od atomów i cząsteczek i, kontrolując ten proces, mieć jakiś wpływ na powstającą nową materię.

Prawdę powiedziawszy, pomysł, by kontrolować proces powstawania materii, wzbudza mój niepokój. Ale najpierw chciałbym się dowiedzieć, gdzie Feynman widział to puste miejsce, o którym mówił.

- To można rozumieć na wiele sposobów. Może chodziło mu o naszą niewiedzę na temat tego, co dzieje się at the bottom, czyli na samym dole, w tych najmniejszych strukturach. Tam jest sporo miejsca do zagospodarowania w sensie odkrywczym. Może miał na myśli to, że tam jest naprawdę pusto w sensie fizycznym. Jądro atomowe jest gęstą strukturą, ale już odległość pomiędzy jądrem a krążącymi naokoło elektronami jest dosyć spora. Atom to przede wszystkim puste miejsce z bardzo niewielkimi elektronami i większym jądrem w samym centrum.

- Można sobie wyobrazić jeszcze jedną interpretację. I, moim zdaniem, jest ona najbardziej prawdopodobna. Atomy i cząsteczki w swoim pierwotnym stanie są swobodne, niezwiązane i powinniśmy spróbować im podpowiedzieć, jak mają się ze sobą połączyć, żeby utworzyć potrzebną nam strukturę, która będzie funkcjonowała według naszych wymagań.

Czyli, innymi słowy, konstruowanie atom po atomie? Atomowa inżynieria.

- Mówiąc o inżynierii, ma pan pewnie na myśli nanomateriały, których otrzymywanie, badanie i stosowanie stanowi ogromną część całej nanotechnologii. Do tworzenia nanomateriałów - nazwijmy je umownie - na zamówienie mamy dwa podejścia. Jedno to tak zwane bottom up, czyli przejście od podstaw, z poziomu najniższego, atomowo-cząsteczkowego, do większych, zaprojektowanych struktur. Czyli od pojedynczych atomów i cząsteczek do konkretnych materiałów. Najpierw tych w skali nanometrowej, a później o tysiąc razy większej, czyli mikrometrowej.

- To jedno podejście. Drugie jest dokładnie odwrotne, czyli top down, z góry do dołu. I tutaj analogia. Amatorzy kawy biorą ziarna i mielą je na drobne. Im drobniej zmielone, tym lepiej gorąca woda wyekstrahuje z nich kofeinę. Wracając do fizyki czy technologii, to drugie podejście polega na rozdrabnianiu materii i schodzeniu do niższych jej form wymiarowych, do skali nano włącznie.

Prawdę powiedziawszy, nie widzę pomiędzy tymi podejściami jakiejś zasadniczej różnicy. Nie bardzo rozumiem, dlaczego rozdrabnianie czegokolwiek ma prowadzić do powstania nowych materiałówo zupełnie rewolucyjnych cechach.

- Nie zawsze nowe materiały musimy wymyślać. Często zdarza się, że stworzyła je natura, a my do nich tylko docieramy, odkrywamy je. Jednym ze sposobów jest rozdrabnianie większych struktur. Wracając do analogii z kawą. Chemicy potrafią pewnie wyprodukować syntetyczną kofeinę. Tworzą ją zapewne z materiałów, ze związków chemicznych, które wchodzą w jej skład. To jedno podejście. Drugie jest takie, że bierzemy materię, o której wiemy, że zawiera kofeinę i próbujemy ją stamtąd wydostać.

- To nieco przypomina miniaturyzację. Z czegoś, co jest duże, próbujemy wytworzyć coś, co jest małe. Gdy już znajdziemy to coś, co nas interesuje, gdy przebadamy jego właściwości i stwierdzimy, że może nam się do czegoś przydać, bo na przykład jest super trwałe albo bardzo elastyczne, albo bardzo dobrze przewodzi prąd, musimy się nauczyć produkować taką strukturę w dużych ilościach, na skalę przemysłową.

Skąd mamy wiedzieć, gdzie szukać ukrytych materiałów o zupełnie rewolucyjnych właściwościach?

- No i tutaj właśnie jest kłopot, albo inaczej, tutaj właśnie zaczyna się nauka. Wspomniane na wstępie zdanie Feynmana o tym, że "na dole jest sporo miejsca", sprawdza się. W strukturach, które nas otaczają, kryją się może nie tyle materiały, ile właściwości i zjawiska, o których nam się nawet nie śniło. Wystarczy zajrzeć głęboko, a na pewno się je znajdzie. W swoim wykładzie Feynman wspominał o tym, że powinniśmy się nauczyć wykorzystywać te małe obiekty. Stwierdził na przykład, że w przyszłości można będzie w bardzo małej objętości przechować całą zawartość Encyklopedii Britannica. Miał swego rodzaju wizje, które wtedy wydawały się zupełnie nierealne, a dzisiaj, po sześćdziesięciu latach, wyraźnie widać, jak się realizują. Przecież potrafimy tworzyć nośniki informacji o małych objętościach, na których mieści się ogromna ilość informacji.

Ten kierunek rozwoju jakoś dało się przewidzieć. Przecież już za czasów Feynmana zaczęła następować miniaturyzacja.

- Ale nie do tego stopnia. Feynman ogłosił kiedyś, że wypłaci bodajże tysiąc dolarów z własnej kieszeni komuś, kto skonstruuje działający silnik elektryczny wielkości porównywalnej z łepkiem od szpilki. Po kilku miesiącach był o tysiąc dolarów uboższy, a wtedy tysiąc dolarów kosztował niezły samochód. Silnik powstał jednak według scenariusza top down, czyli z góry do dołu. To była klasyczna miniaturyzacja.

Jak sam twórca nanotechnologii wyobrażał sobie jej przyszłość? Która koncepcja była mu bliższa, z góry na dół czy odwrotnie, z dołu do góry?

- Raczej ta druga. Ona jest znacznie trudniejsza do realizacji, ale jest też bardziej pociągająca w sensie naukowym. Projektowanie czegokolwiek atom po atomie stwarza niewyobrażalne możliwości. Miniaturyzacja zawsze napotyka jakieś granice.

Jeżeli budowane urządzenia ciągle będziemy miniaturyzowali, w końcu dojdziemy do poziomu pojedynczych atomów. A wtedy granica pomiędzy bottom up i top down gdzieś się zgubi i obydwie koncepcje się spotkają.

- To nie jest takie proste. Siłą napędową nanotechnologii jest rozwój informatyki.

Już się bałem, że pan powie, że badania wojskowe.

- O wojsku powiem za chwilę. Ale najpierw wyjaśnię, dlaczego miniaturyzacja natrafia na granice. Jesteśmy społeczeństwem, które rozwija się w szalonym tempie. Ten rozwój nie przebiega jednak w każdym kierunku z taką samą siłą. Tym, co rozwija się najszybciej, jest informatyka. Wszyscy chcą, by było jak najszybciej, jak najwięcej i jak najmniejszej wielkości. I tutaj pojawia się problem. Informatyka, czy w ogóle elektronika, oparta jest w 80 procentach na krzemie. To właśnie z tego pierwiastka budowane są mikroprocesory, a więc mózgi komputerów.

- Firmy ścigają się w produkcji coraz mniejszych elementów, na których równocześnie będzie mieściło się coraz więcej informacji. I tak mamy coraz mniejsze układy scalone, coraz gęstsze ścieżki zapisu, coraz mniejsze chipy, itd. W tej chwili podstawowe elementy komputera, na których zapisywana jest informacja, mają wymiar około 30-40 nanometrów. Ale to wciąż za dużo. Miniaturyzacja chce iść dalej, lecz napotyka granicę nie do przeskoczenia. Układy komputerowe w coraz większym stopniu pożerają energię, a to znaczy, że muszą być mocno chłodzone. Także elektrony poruszając się, wytwarzają ciepło, które do niczego nie jest potrzebne. A może być wręcz szkodliwe. Trzeba się go więc jak najszybciej pozbyć. Tyle tylko, że krzem jest pierwiastkiem, który ma kiepskie przewodnictwo cieplne. Im mniejsze urządzenie, tym gorzej odebrać ciepło z jego wewnętrznych struktur. Tym gorzej - mówiąc kolokwialnie - go przewentylować i ochłodzić.

- To pierwszy kłopot miniaturyzacji krzemowych elementów. Drugi jest taki, że techniki litograficzne, które stosuje się w tworzeniu obwodów scalonych zawodzą, gdy chcemy wyprodukować coś mniejszego niż 20-30 nanometrów.

Czy można to porównać do sytuacji, w której stojąca na biurku drukarka nie ma wystarczającej rozdzielczości, by wydrukować zdjęcie z bardzo małymi detalami?

- Tak. Tyle tylko, że o ile w przypadku biurowej drukarki można pójść do sklepu i kupić lepsze urządzenie, o większej dokładności, o tyle w przypadku produkcji elementów scalonych granica wyznaczona jest nie przez jakieś urządzenie, ale przez samą technologię. Krótko mówiąc, rysuje się powoli bariera rozwoju tej idei top down, zejścia w dół, bariera dalszego rozwoju informatyki. I w tym momencie nanotechnologia wychodzi z pewnymi propozycjami, stąd właśnie niesłychanie duża liczba badań nad nowymi nonomateriałami, tworzonymi najczęściej właśnie od drugiej strony, czyli bottom up, mającymi zastosowanie w informatyce. I spowoduje, że informatyka będzie mogła dalej się rozwijać.

A co z wojskiem? Chciał pan coś na ten temat powiedzieć.

- Informatyka od zawsze rozwijała się dzięki badaniom zlecanym przez wojsko i na potrzeby wojska. Tak było zwłaszcza wtedy, gdy ta dziedzina powstawała. Badania wojskowe są w dużej mierze siłą napędową rozwoju ludzkości. Ewidentnie wojskowe przedsięwzięcie, jakim był amerykański projekt Manhattan, czyli konstrukcja bomby atomowej, zaowocowało w pewnym sensie ubocznie odkryciem na przykład teflonu, czyli tworzywa, bez którego dzisiaj trudno wyobrazić sobie życie. A także miał olbrzymi wkład w opracowanie technologii wykorzystywanych dzisiaj w energetyce jądrowej. Innym przykładem może być niesłychany rozwój chemii organicznej w latach międzywojennych w Niemczech.

Czy nanotechnologia rozwija się z powodu pieniędzy, jakie na nią przeznacza wojsko?

- W Polsce oczywiście nic takiego nie ma miejsca. Jak jest w innych miejscach na świecie? Cóż. Nie znam szczegółów, ale nie jestem naiwny. Poszukiwanie materiałów o nieznanych właściwościach, miniaturyzacja czy projektowanie czegokolwiek atom po atomie - bardzo bym się zdziwił, gdyby wojsko w ogóle tym się nie interesowało.

O miniaturyzacji chciałbym jeszcze później porozmawiać, ale zostańmy na chwilę przy tych niesamowitych właściwościach wszystkiego, co jest bardzo małe. Pierwszy z brzegu przykład. Nanorurka to rurka wykonana z węgla, tyle tylko, że bardzo mała.

- Nie, to nie jest takie proste. Nanorurka nie jest zwykłą rurką wykonaną z węgla. To nie jest mocno pomniejszona wersja czegoś, co znamy ze świata, który nas otacza. Nanorurka jest wykonana z węgla, ale w dosyć specyficzny sposób. Atomy węgla są połączone jakby w sieć i ta sieć jest zwinięta w rurkę. W makroświecie takie struktury nie występują. I właśnie z tą specyficzną budową wiążą się specyficzne właściwości.

- Generalnie, i to dotyczy nie tylko nanorurek węglowych, gdy schodzimy w dół z wielkością materii, ujawniają się właściwości czy cechy tego nanoświata, z których dotychczas nie zdawaliśmy sobie sprawy. Specjalnie w kontekście nowych właściwości użyłem stwierdzenia "ujawniają się", a nie na przykład "pojawiają się", bo to, o czym mówię, cały czas w nanoświecie jest obecne. Tyle tylko, że dopiero teraz zaczynamy sobie z tego zdawać sprawę.

Mówi pan o specyficznych, czy wręcz rewolucyjnych właściwościach. Co konkretnie ma pan na myśli?

- Weźmy na przykład nanorurki. To - jak pan je nazwał - rurki, których ścianki wykonane są z węgla. Mogą być kilka rzędów wielkości dłuższe, tysiące, dziesiątki, a może setki tysięcy razy niż wynosi ich średnica. Atomy węgla, które je tworzą, są ze sobą niezwykle silnie związane. Nanorurki są więc bardzo wytrzymałe. Nie znamy dzisiaj materiału, który byłby bardziej wytrzymały. Gdyby porównać wytrzymałość nanorurek na rozciąganie, jest ona dziesiątki razy większa niż wytrzymałość hartowanej stali. Równocześnie nanorurki są bardzo lekkie i są bardzo dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Oblicza się, że mogą przewodzić prąd o natężeniu tysiąc razy większym niż najlepsze znane dzisiaj przewody metalowe. Bardzo dobrze przewodzą też ciepło, ale tylko wzdłuż swojej osi.

- W poprzek są kiepskimi przewodnikami. Wszystkie cechy nanorurek, które wymieniłem, choć wspomniałem tylko o ich głównych właściwościach, mogą być w jakiś sposób wykorzystane. W inżynierii, medycynie czy w informatyce.

Fragment wywiadu pochodzi z książki Tomasza Rożka pt. "Nauka. Po prostu. Wywiady z wybitnymi", która ukazała się xx nakładem wydawnictwa Demart.