Nanotech: Kunst des Möglichen

Im Arbeitsgebiet von George M. Whitesides werden Dinge in Nanometern gemessen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, und um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie klein das ist, vergessen Sie Analogien zur Breite eines menschlichen Haares oder eines Stecknadelkopfes. Die Nanoskala hat nichts mit bekannten Gegenständen zu tun. Sie müssen an einen Ort denken, an dem Objekte – einschließlich der Geräte, an denen Whitesides und andere arbeiten – nur geringfügig größer als Atome sind.

Dinge in dieser Größenordnung zu bauen nennt man Nanotechnologie. Es ist ein sich schnell entwickelndes Feld mit immensem Potenzial; winzige Geräte könnten Computer, Informationsspeicherung, Kommunikation und viele andere unvorhergesehene Bereiche revolutionieren. Aber es ist auch ein Bereich, der anfällig für überzogene Versprechen ist, mit Spekulationen über Nanomaschinen, die eher in Star Trek als in einem Labor zu finden sind.

Die nicht gewählte Regierung des Internets

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 1998



  • Siehe den Rest der Ausgabe
  • Abonnieren

Als angesehener Chemiker und Materialwissenschaftler erforscht Whitesides diese sehr kleine Welt seit Jahren. Nach fast 20 Jahren am MIT trat Whitesides 1982 in die Chemieabteilung der Harvard University ein. Der Harvard-Forscher hat die Mikro- und Nanofabrikation mit einigen ihrer nützlichsten Konstruktionstechniken ausgestattet. Aber Whitesides hält auch einen gut trainierten Reality-Check in der Nanowelt. Trotz seines offensichtlichen Enthusiasmus für das Feld will er definieren, was möglich ist und was nicht.

KINDER Senior Editor David Rotman besuchte kürzlich Whitesides, Mallinckrodt Professor of Chemistry in Harvard, in seinem Cambridge-Büro, um Fakten und Science-Fiction in der Nanotechnologie zu unterscheiden.

TR: Beginnen wir mit einer grundlegenden Frage. Wie klein qualifiziert sich für Nanotechnologie?
WEIßE SEITEN: Die Standarddefinition sind funktionale Strukturen mit Strukturgrößen von weniger als 100 Nanometern, aber ich denke, die Zahl sollte wahrscheinlich 50 Nanometer oder weniger betragen.

TR: Warum ist Nanotechnologie so faszinierend?
WEIßE SEITEN: Es ist eine Erweiterung der Mikrotechnik. Und die Mikrotechnik ist die Grundlage für die Herstellung von Computerkomponenten, und das ist eine sehr große Sache. Die Mikrotechnologie ist seit Jahren mit der Idee ausgekommen, dass kleinere Dinge Vorteile bringen – sie sind weniger teuer, Sie erhalten mehr Portabilität und mehr Leistung pro Dollar. Die Idee ist, dass Sie diesen Trend über die aktuellen Größen in der Mikroelektronik hinaus fortsetzen können, da kleinere mit der Mikroelektronik gearbeitet haben, und diese Schrumpfung führt Sie in die Welt, die Nano genannt wird.

TR: Welche spezifischen Technologien könnten aus einer solchen Arbeit hervorgehen?
WEIßE SEITEN: Ein gutes Beispiel ist die Informationsspeicherung. Derzeit liegt die Größe eines Flecks auf einer CD-Disk in der Größenordnung von 10 Quadratmikrometern. Leute, insbesondere die IBM-Leute, haben CD-Äquivalente hergestellt, die Pits auf einer sich drehenden Platte verwenden, aber die Pits sind jetzt 50 Nanometer groß. Sie könnten in etwas von der Größe einer Armbanduhr das Äquivalent von vielleicht 1.000 CDs bekommen. Das fängt an, sich einem Bruchteil der Präsenzbibliothek zu nähern, die Sie für Ihr Leben benötigen. Das wirft interessante Fragen auf: Was passiert, wenn Sie in der Lage sind, alle Informationen, die Sie für einen Großteil Ihres Lebens benötigen, auf Ihre Armbanduhr zu packen, anstatt sie tatsächlich lernen zu müssen? Es ist eine dieser Ideen, die die Vorstellung, wie ein Leben zu führen ist, ein wenig verändert. Sie können diese Ideen nehmen und sie extrapolieren. Sie setzen ein Mikro- oder globales Ortungssystem auf Ihre Armbanduhr, damit Sie wissen, wo Sie sich befinden. Sie könnten die Fähigkeit haben, sich selbst zu orten, Berechnungen durchzuführen, Informationen zu verwenden, zu kommunizieren.

TR: Wo stehen wir in Bezug auf die tatsächliche Verwirklichung einiger dieser Dinge?
WEIßE SEITEN: Im Stadium der Laborprototypen. Die Leute haben kleine CDs gemacht, aber sie sind nichts, was man außerhalb des Labors verwenden kann. Es wird sehr schwierig sein, die Herstellungsmethoden, die die Leute jetzt verwenden, um diese kleinen Strukturen herzustellen, auf alles auszudehnen, was wirklich herstellbar ist, aber es wird passieren.

TR: Wie groß ist die Herausforderung?
WEIßE SEITEN: Wir haben eine prinzipielle Demonstration aus der Mikroelektronik, dass, wenn man die Dinge kleiner machen kann, die Leute viel Spannendes dabei finden. Im Moment können wir kleine Dinge in Labors herstellen, aber wir wissen nicht, wie wir wirklich kleine Dinge in einer Fertigungsumgebung massenhaft herstellen. Und wir wissen nicht, wie wir sie verwenden sollen, wenn wir sie einmal gemacht haben. Bis dieses Fertigungsproblem gelöst ist, wissen wir nicht, was hergestellt werden kann, und wir werden nicht wissen, wie die Technologie aussehen wird.

wie schnell reisen raumschiffe

TR: Photolithographie, die ultraviolettes Licht verwendet, um Muster auf Siliziumchips herauszuätzen, ist die dominierende Technologie bei der Herstellung von Mikroelektronik im Mikrometerbereich. Aber ich nehme an, Sie sehen darin keine Zukunft in Sachen Nanotechnologie?
WEIßE SEITEN: Die Photolithographie war sehr erfolgreich. Wir hatten einen wunderbaren Lauf mit dieser Technologie und es gibt allen Grund zu der Annahme, dass dies noch eine Weile so bleiben wird. Aber jetzt treten Sie ein wenig zurück und sagen: Nun, es ist schwer, unter 100 Nanometer zu gehen, und Sie können keine 3-D-Dinge bauen. Es funktioniert wirklich nicht für zu viele andere Materialien als Silizium und so. Wir möchten die Dinge klein machen, damit sie schnell und billig und tragbar sind und keinen Strom verbrauchen. Wie machen wir das?

TR: Welche Alternativen gibt es?
WEIßE SEITEN: Eine davon sind Elektronenstrahlen, von denen eine Ausführungsform Skalpell ist. [Skalpell ist ein in den Bell Labs von Lucent Technologies entwickeltes System, das Elektronenstrahlen verwendet, um Siliziumwafer zu strukturieren]. Ein weiterer Konkurrent ist die Röntgenlithographie [dieses Verfahren verwendet Röntgenstrahlen, um Wafer zu strukturieren]. Beide haben viele sehr schwierige technische Probleme, von denen wir vermuten, dass sie mehr oder weniger gelöst werden, aber ob sie wirklich billig genug sind, ist eine andere Frage. Und dann kommen neuere Technologien auf den Markt, die meiner Meinung nach recht langwierig sind, wie die Lithographie mit neutralen Atomen oder Ionenstrahlen. Es ist derzeit ein echtes Pferderennen, welche Technologien in der Nanotechnologie zum Einsatz kommen. Aber das ist erst der Anfang.

TR: Sind die Beschränkungen in der Photolithographie grundlegend genug, um einen ganz neuen Technologiebereich für die Herstellung der Mikroelektronik voranzutreiben?
WEIßE SEITEN: Sie könnten sein. Photolithographie wird sehr kompliziert und sehr teuer. Für die Fabriken der neuen Generation [Fertigungsanlagen zur Herstellung von Halbleiterchips], die jetzt für die Jahre nach 2000 geplant sind, werden die Kapitalkosten pro Fabrik auf 3 bis 10 Milliarden US-Dollar geschätzt. Wenn Sie eine Kapitalrendite von 20 Prozent erzielen und 10 Milliarden US-Dollar investieren möchten, wie viele Mikro-Widgets müssen Sie dann jedes Jahr in den wenigen Jahren verkaufen, in denen diese Fab auf dem neuesten Stand der Technik ist? Die Antwort ist, viel. Und Leute, die das Geld aufbringen müssen, mögen das nicht.

TR: Es bleibt also noch die Frage, wie sehr kleine Dinge gemacht werden. Was sind einige der anderen Unbekannten über die Zukunft der Nanotechnologie?
WEIßE SEITEN: Es gibt das Problem, dass die Geräte, wenn Sie die wahre Größe im Nanobereich erreichen, nicht mehr wie erwartet funktionieren, basierend auf Extrapolationen bestehender Geräte. Etwas unterschiedliche Meinungen gibt es, wie weit sich die vorhandene Technik extrapolieren lässt. Ich vermute, dass man bestehende Systeme nehmen und auf irgendwo im Bereich von 50 bis 100 Nanometern extrapolieren kann. Wenn Sie Drähte, Transistoren und andere Komponenten näher zusammenbringen, beginnen sie miteinander zu sprechen, und dieses Übersprechen wird zu einem sehr ernsten Problem. Auch die Eigenschaften der verwendeten Grundmaterialien - dotiertes Silizium - werden schwer zu kontrollieren.

TR: Abgesehen davon, dass die Mikroelektronik immer kleiner wird, wird viel über die Verwendung der Nanotechnologie für andere, mechanische Arten von Anwendungen gesprochen.

WEIßE SEITEN: Es gibt viele Dinge, die von potenziell real bis hin zu Science-Fiction-Elementen reichen. Da ist die Idee von sehr kleinen autonomen Maschinen, die im Blutkreislauf herumschwimmen oder so ähnlich. Ich sehe keine Möglichkeit, diese zu realisieren. Der Grund dafür ist, dass es, abgesehen von den Problemen beim Bau, horrende Probleme mit der Stromversorgung in jedem autonomen System gibt. Es muss eine wirklich tiefgreifende Erfindung geben, bevor jemand herausfindet, wie man kleine autonome Systeme mit Strom versorgt. Wir haben Beispiele für angetriebene Systeme: zum Beispiel lebende Zellen oder Organellen in der Zelle. Aber die Zelle ist nicht wirklich ein kleines Objekt. Säugetierzellen sind etwa 25 Mikrometer groß und sogar Bakterienzellen sind 1 bis 3 Mikrometer groß. Viren, die viel kleiner sind, werden nicht angetrieben. Macht ist also eine grundlegende Frage. Reibung in kleinen beweglichen Systemen ist eine Sekunde. Die Herstellung ist ein Drittel.

TR: Glauben Sie, dass einige dieser Anwendungen überbewertet wurden?
WEIßE SEITEN: Was Eric Drexler [K. Eric Drexler ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institute for Molecular Manufacturing in Palo Alto, Kalifornien; sein Buch Engines of Creation hat dazu beigetragen, Nanotechnologie populär zu machen] und andere versuchen, eine Reihe von Ideen zu konstruieren, die darauf basieren, bestehende Dinge zu verkleinern. Sie sagen, wenn Sie einen großen Rotorooter haben, warum nicht einen kleinen Rotorooter?

TR: Aber es ist eindeutig der Fall, wo nur weil sie kleiner sind…
WEIßE SEITEN: Sie sind nicht unbedingt besser. Kleiner ist nicht unbedingt immer besser.

TR: Und sie funktionieren nicht immer nur als kleinere Kopie.
WEIßE SEITEN: Richtig. Sie sind nicht nur nicht unbedingt besser, insbesondere wenn sie teurer sind, sondern funktionieren möglicherweise auch nicht nach denselben Prinzipien. Das bedeutet, dass wir für wirklich kleine Strukturen wahrscheinlich neue Architekturen und Denkweisen erfinden müssen, um mit den Besonderheiten dieser kleinen Maschinen umgehen zu können. Und natürlich ist eine der interessanten Fragen, wo sich der Aufwand lohnt, wirklich sehr kleine Maschinen zu bauen?

TR: Wenn wir dieses Gespräch in fünf oder zehn Jahren führen würden, wisst ihr, worüber wir sprechen würden?
WEIßE SEITEN: Ich glaube, wir haben vielleicht ein etwas anderes Gespräch. Eine, bei der es weniger darum geht, wie die Nanotechnologie die Welt verändert hat, sondern mehr darum, wie die kostengünstige Mikrotechnologie sie verändert hat. Im Moment reservieren wir die Welt der Mikrofabrikation, die Strukturen zwischen mehreren hundert Nanometern und einigen Mikrometern [ein Mikrometer ist ein Mikrometer, ein Millionstel eines Meters] – für elektronische Mikroprozessoren und Computersysteme. Es ist eine sehr berechtigte Frage, was passiert, wenn Sie viele Dinge, die jetzt im Zentimeter- und Millimeterbereich hergestellt werden, auf die Mikrometerskala erweitern und welche neuen Funktionen Sie erhalten?

wie man einen Lügendetektor baut

TR: Woran denkst du?
WEIßE SEITEN: Ein Ausdruck, den ich verwende, ist Mikrometer-Technologie mit der Ökonomie von Zeitungspapier. Anstatt zum Beispiel eine Zeitung zu kaufen, könnten Sie ein Blatt Papier kaufen; die Rückseite wäre eine Batterie, die Vorderseite wäre ein Display. Sie lesen es, scrollen, um Nachschlagewerke zu finden, sehen sich animierte Illustrationen an und wenn Sie fertig sind, werfen Sie es weg. Eines der Dinge, über die wir in 10 Jahren sprechen könnten, ist, wie sich die Mikrometerelektronik mit neuen Technologien in alle möglichen Dinge eingeschlichen hat. Ich glaube, dass fast alles – Schuhe, Fenster, Kinderspielzeug, Lebensmitteletiketten, Versandetiketten, Kreditkarten – in ein paar Jahren Elektronik haben wird.

TR: Sie erwähnen oft Biologie und natürliche Systeme. Was sagt Ihnen die Biologie über Nanotechnologie?
WEIßE SEITEN: Die Biologie macht alle Arten von sehr funktionellen kleinen Strukturen. Drexler spricht über Kleinmotoren; Wir haben ein großartiges Beispiel für einen kleinen Motor in der Biologie, den Flagellenmotor in Bakterien. Dieser Motor funktioniert wirklich sehr gut und sieht einem Motor sehr ähnlich. Können wir entweder lernen, diese biologischen Dinge in geeigneter Weise in unseren Geräten zu verwenden, oder die Prinzipien der Biologie besser verstehen und dann lernen, diese Prinzipien in nicht-biologische Systeme einzubetten? Ein weiteres Beispiel sind Sensoren. Vieles von dem, was in jedem biologischen System getan wird, ist Sensorik. Die Netzhaut, die Nase, all dies basiert auf Molekülen, die Sensoren im Nanobereich sind. Wie können wir diese Ideen nutzen, um künstliche Augen und Nasen zu bauen?

TR: Sagt Ihnen die Biologie etwas über die bevorstehenden Herausforderungen?
WEIßE SEITEN: Wir bestehen aus einem hierarchischen Satz von Strukturen und Komponenten. Wir haben Moleküle im Nanobereich, die in Organellen von 10 Nanometer bis vielleicht 100 Nanometern gesammelt sind, gesammelt und kollektiv in Zellen arbeiten, die dann zu Geweben aggregieren, die zu uns werden. Eines der Probleme in der Elektronik ist, dass wir nur in zwei Skalen arbeiten. Transistoren und Ansammlungen von Transistoren – und das ist das Gerät. Aber um die Vorteile von Nano voll auszuschöpfen, müssen wir über diese vollständige Hierarchie der Strukturebenen nachdenken.

TR: Was sind einige der größeren Lektionen, die Sie aus Ihrer Forschung in der Nanotechnologie gelehrt haben?
WEIßE SEITEN: Eine davon ist die Vorstellung, dass Funktionen oft hierarchisch und priorisiert sind. Moleküle tun bestimmte Dinge, Objekte, die 10 Nanometer groß sind, tun bestimmte unterschiedliche Dinge, Objekte, die 100 Nanometer groß sind, tun noch andere unterschiedliche Dinge. Für komplexe Funktionen muss man lernen, wie man aus kleinen Teilen große Objekte baut und die einzigartigen Fähigkeiten jedes einzelnen nutzt. Zweitens gibt es Phänomene, die größenspezifisch sind. Eines der Dinge, die man in jeder Größenordnung tut, besteht darin, nach einer Vergleichbarkeit zwischen dem Phänomen, das man betrachtet, und dem Objekt zu suchen. Immer wenn Sie sehen, dass das Phänomen und die Strukturen ähnliche Größen haben, können Sie interessante Dinge tun. Drittens gibt es insbesondere für die Nanometerskala keinen reicheren Fundus an interessanten Ideen und Strategien als die Biologie.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen