Rozklejone nanomaszyny
11 styczeń 2009
Jeśli od dłuższego już czasu zastanawiacie się nad dobrą nazwą dla tworzonej przez was firmy, nie zapomnijcie o wstawieniu do niej członu “nano”, nawet jeśli będzie to zupełnie nieadekwatne do tego, czym przedsiębiorstwo miało by się zajmować. Podobnie jak miało to miejsce w przypadku tak do niedawna modnego pojęcia “Web 2.0″ w Internecie, nanotechnologia to pojęcie, które w inwestorach przy kasie wywołuje podwyższone ciśnienie i – wszystko jedno czy istnieją jakiekolwiek szanse na sukces przedsięwzięcia – zmusza ich do pakowania ogromnych funduszy w każdy interes, który nanotechnologią się ma parać.
Czym w ogóle jest nanotechnologia? Jak podpowiada sam przedrostek, jest to dziedzina techniki, która zajmuje się strukturami o mikroskopijnych rozmiarach, mierzonych w nanometrach (przy czym 1 nanometr to 10-9 metra, inaczej mówiąc jedna miliardowa metra). Sprowadza się to właściwie do manipulowania pojedynczymi atomami i cząsteczkami w celu wykorzystania ich do ściśle określonych zastosowań. Pomijając już istniejące i praktycznie stosowane rozwiązania w tej dziedzinie (jak choćby nanorurki i tym podobne świństwa), naukowcom jak i biznesmenom marzy się coś, co jak dotąd wydaje się jeszcze odległą pieśnią przyszłości – tworzenie maleńkich mechanizmów i maszyn, które w tej niewyobrażalnie małej skali mogłyby wykonywać najróżniejsze zadania (chociażby jako “roboty naprawcze” czy “posłańcy” dostarczające leki do ściśle określonych miejsc organizmu). Jednym z powodów, dla których rozwój nanotechnologii w tym kierunku napotyka wielkie problemy, jest tzw. efekt Casimira.
W 1946 roku niejaki Hendrik Casimir, holenderski fizyk teoretyk, analizując konsekwencje słabo wówczas jeszcze poznanej mechaniki kwantowej przewidział, że pomiędzy dwiema płytkami wykonanymi z przewodnika, które nie są naładowane elektrycznie, powinno pojawić się tajemnicze przyciąganie, zbliżające je do siebie, co ważne, nie mające nic wspólnego z przyciąganiem grawitacyjnym. Przyciąganie to ma bardzo egzotyczne pochodzenie, którego wolałbym tutaj zbytnio nie zgłębiać, bo mógłbym brzydko ugrząznąć – wystarczy powiedzieć, że tzw. cząstki wirtualne, powstające pomiędzy płytkami w wyniku fluktuacji kwantowomechanicznych, powodują, iż pojawia się się różnica ciśnień pomiędzy obszarem między płytkami a obszarem na zewnątrz, i ciśnienie to powoduje wspomniane przyciąganie. Brzmi dziwnie? Z pewnością, tylko w zasadzie co w przypadku mechaniki kwantowej nie brzmi dziwnie…
Casimir przyjął w swych rozważaniach, że mamy do czynienia z idealnie gładkimi, doskonale przewodzącymi płytkami, które do tego schłodzone są do temperatury zera absolutnego. W 1956 roku fizyk z ZSRR, Eugeniusz Lifszyc, uogólnił przewidywania Casimira na rzeczywiste materiały. Przy okazji przepowiedział jednak również, że poza siłą przyciągającą, przewidzianą przez Casimira, musi również istnieć siła skierowana przeciwnie, odpychająca, ale tylko w przypadku substancji o ściśle dobranych właściwościach dielektrycznych (czyli o odpowiednim przewodnictwie). Z tego względu, mówiąc o sile przyciągającej, mówimy o efekcie Casimira, natomiast kiedy rozmawiamy o sile odpychającej, stosuje się określenie efektu Casimira-Lifszyca.
Jaki to ma związek z nanotechnologią? Zarówno efekt Casimira jak i ten przewidziany przez Lifszyca to efekty, w których siły występujące są niezmiernie małe, do tego są zauważalne w przypadku struktur o wielkości maksymalnie 1 mikrometra (jednej milionowej metra). Z tego też względu aparatura pomiarowa, dostępna swego czasu obu naukowcom, nie pozwalała nawet na jego eksperymentalne potwierdzenie – efekt Casimira został tak naprawdę potwierdzony w eksperymencie zaledwie 12 lat temu w USA. Jednak zauważmy jedno – nanotechnologia, jak wspomniałem wcześniej, między innymi ma być technologią, która pozwoli nam na tworzenie nanometrowych maszyn, w których siłą rzeczy, jak to w maszynach, muszą istnieć również części ruchome. I tutaj pojawia się bardzo kłopotliwy związek pomiędzy efektem Casimira i nanotechnologią – maleńkie maszyny nie mogą działać, bo ze względu na siłę Casimira ich elementy zamiast pozostawać w ruchu, dosłownie “sklejają się” ze sobą. To jeden z największych problemów tej dziedziny techniki. Podobnie jak w przypadku miniaturyzacji komputerowej, istnieje pewna granica, której dotąd nie można pokonać – poniżej pewnej wielkości elementów takich nanomaszyn siła Casimira staje się decydująca i “psuje” konstrukcje naukowców.
No dobrze – może ktoś powiedzieć – mamy jednak dwie siły: przyciągającą i odpychającą, nie dałoby się tego jakoś wykorzystać? Otóż tak, i jest to spora szansa na przełom w nanotechnologii. Zupełnie niedawno bowiem po raz pierwszy w eksperymencie potwierdzono istnienie efektu Casimira-Lifszyca.
Naukowcy z Harvard University w Cambridge we współpracy z amerykańską instytucją National Institutes of Health (NIH) dokonali właśnie takiego wyczynu. Lifszyc przewidział, że siła odpychająca pojawić powinna się wtedy, gdy pomiędzy dwoma materiałami (o stałych dielektrycznych, nazwijmy je tak, A i B) pojawi się materiał trzeci o stałej dielektrycznej C i gdy, przykładowo, będzie istnieć taka zależność: A > C > B. Naukowcy dobrali więc materiały następująco: pomiędzy płytką kwarcową a plastikową kulką, pokrytą złotem, umieszczono warstwę pewnego płynu, bromobenzenu. Kuleczkę, wielkości zaledwie 40 mikrometrów, przymocowano do ramienia zmodyfikowanego mikroskopu sił atomowych, zbliżając ją ostrożnie do powierzchni płytki, mierząc wychylenie ramienia promieniem laserowym. Naukowcy wykluczyli wpływ sił elektrycznych czy też fluktuacji gęstości w bromobenzenie, poprzez powtarzanie pomiarów określili też dokładnie siłę hydrodynamiczną, z jaką bromobenzen oddziaływał na kuleczkę, by móc bez przeszkód obliczyć siłę efektu Casimira-Lifszyca.
I co się okazało? Rzeczywiście, kuleczka była wyraźnie odpychana przez płytkę, gdy zbliżono ją na odległość conajmniej 20 nm. W celach kontrolnych wykonywano również to samo doświadczenie stosując płytkę krzemową pokrytą złotem (a więc takim samym materiałem, jaki znalazł się na powierzchni kuleczki) – wówczas, zgodnie z przewidywaniami, przy odległości ok. 30 nm zaczynały się pojawiać siły przyciągające kuleczkę do płytki. Wyniki uzyskane przez naukowców były w pełni zgodne z przewidywaniami Lifszyca, gdyż siła odpychająca była, porównawszy ją z siłą efektu Casimira, znacznie słabsza.
Konsekwencje tego doświadczenia są trudne do przecenienia – dzięki umiejętnemu dobraniu materiałów można będzie tworzyć “nanomaszyny”, w przypadku których niektóre elementy mogłyby “lewitować” nad innymi, unikając z nimi całkowicie bezpośredniego kontaktu, tym samym unikając nieszczęsnego “sklejania”. Poza lewitacją można sobie wyobrazić również elementy, pomiędzy którymi tarcie sprowadzone zostaje do ekstremalnie niskiego poziomu. Czyżby stała przed nami otworem “epoka nanomaszyn”, buszujących niezauważalnie w naszych organizmach?
Mechanika kwantowa ma to do siebie, że jest totalnie nieintuicyjna (masa anegdotek na ten temat już powstała), więc chyba nic mnie zbytnio nie zdziwi jeśli chodzi o nanotechnologię. Trudno w sumie napisać jakiś konkretny komentarz kiedy jest się zielonym w tej dziedzinie. Mam nadzieję tylko że rozwój w tej dziedzinie, będzie miał jakiś pozytywny (i tylko taki) wpływ na nasze życie.
/ Cytuj komentarzJakby to powiedzieć… jestem równie zielony w tej materii, jest spore ryzyko sprawy przedstawić nie do końca prawidłowo, dlatego kiedy coś piszę o mechanice kwantowej, to staram się zbytnio nie zagłębiać w coś, co słabo rozumiem…;) Wiesz jak to jest z rozwojem technologii – rzadko służy tylko dobrym celom. Nanomaszyny to jak się patrzy materiał na broń dla armii, da się zdziałać masę ciekawych, choć niekoniecznie miłych rzeczy, wyobraź sobie armie niewidzialnych maszynek, które mają za zadanie uszkadzać tkanki, bo ja wiem, przenosić truciznę…
/ Cytuj komentarzTak, trzeba będzie poczekać na konkretne zastosowania. Bo na razie tylko się chwalą
Aha, w ramach post scriptum – ja może i zgadzam się z tym, że angielszczyzna jest łaciną naszych czasów, ale to chyba jeszcze nie powód, by tak masakrować nazwisko Eugeniusza Lifszyca, syna Michała (oryginalnie Евгений Михайлович Лифшиц)
/ Cytuj komentarzEch, przyznam się bez bicia – to z lenistwa. Nazwisko jak i imię Lifszyca wydawały mi się dziwnie podejrzane (bo i zachodnie źródła), ale tak zostawiłem, z lenistwa, niestety, nie szukając prawidłowej wersji. Zmienię, dzięki:)))
/ Cytuj komentarzMnie nanotechnologia bardzo fascynuje. Gdybyśmy wyprodukowali urządzenie zdolne do syntezy materiałów lub związków z pojedynczych atomów to możliwe byłoby wyprodukowanie absolutnie wszystkiego co byśmy sobie tylko zamarzyli, oraz jeszcze więcej rzeczy których nie znamy. Możliwe byłoby produkowanie materiałów o zadziwiających właściwościach, urządzeń które by wspomagały medycynę, materiałów produkujących energię z dowolnego źródła (ciepło termiczne, fale radiowe, podczerwone, dźwiękowe).
Największymi przeszkodami byłaby pewnie fizyka, która co chwila będzie stawiać jakieś ograniczenia, gdy będziemy chcieli coś osiągnąć.
To że człowiek może to wykorzystać do złych celów nikogo chyba nie dziwi. Każdą technologię można wykorzystać do złych lub dobrych celów. To tylko narzędzie, a jak ją człowiek wykorzysta, zależy już tylko od niego.
Tak się zastanawiam, czy nie da się jakoś wykorzystać energii próżni. Czy nie da się jakoś złapać. Skoro “wirtualne” cząstki oddziałują w sposób jak najbardziej namacalny (efekt Casimira), to czy nie dałoby się skonstruować jakiegoś urządzenia zdolnego produkować energię z niczego (z próżni)?
I jeszcze jedno, czy przypadkiem w tym zdaniu nie ma błędu: “Kuleczkę, wielkości zaledwie 40 mikrometrów”? 40 mikrometrów to chyba całkiem sporo jak na skalę nano. Czy nie chodziło przypadkiem o nanometry?
Pozdrawiam
/ Cytuj komentarzZaczynając od końca – nawet jeszcze sprawdziłem, to nie błąd, rzeczywiście chodzi o 40 mikrometrów:) Sama kulka miała taką wielkość, tu chodziło raczej o skalę odległości pomiędzy obiektami – przybliżano kulkę do płyty na odległość niewielu nanometrów, jednak kulka była względnie spora;)
Nanotechnologia jest fascynująca, bezsprzecznie. Póki co jesteśmy tutaj jednak w wieku niemowlęcym, jednak możliwości są na pewno niewyobrażalne. A co do wykorzystania narzędzi, wiesz, będzie pewnie tak jak zawsze:/
Co do wykorzystania energii próżni do wytwarzania “wolnej” energii, nie jesteś oczywiście pierwszy:) Trochę linków jest na Wikipedii pod tym hasłem ( http://pl.wikipedia.org/wiki/Wolna_energia ). Jednak jestem dość sceptycznie nastawiony do wizji produkowania energii w sumie z “niczego”
/ Cytuj komentarzTakie tycie urządzenie, które będzie przemierzać mój organizm i likwidować komórki rakowe, to jest coś!
energia z niczego – chyba niemozliwa…
/ Cytuj komentarzzawsze musi być “coś” z “czegoś” – energia “z niczego” jest po prostu określeniem na wykorzystanie energii innych niż “tradycyjne”
Nanotechnologia – przyszłość świetlana lub najgorszy koszmar ludzkości zależnie od sposobu wykorzystania.
Jednak jestem optymistą i myślę że wszystko będzie dobrze
/ Cytuj komentarzI co – taki mały robocik będzie mi wędrował po żyle i pilnował, czy nic nie zażywam? Niezbyt mi się to podoba…
Ale same efekty są – rzekłbym – arcyciekawe. Gdyby odpowiednio zmanipulować choćby przepływem substancji powodującej odpychanie, można stworzyć jakiś prymitywny nano-silnik:) Z minimalnym tarciem. To mogłoby działać…
/ Cytuj komentarzAno tak, sporo się swego czasu o tym fantazjowało, okazuje się jednak, że to nie całkiem są już fantazje, a poważne plany:) Słyszałem na przykład o nanomaszynach, które miałyby dozować odpowiednie leki w organiźmie – wyobraźmy sobie takie małe “transporterki”, które wędrują po ciele, docierają dokładnie tam, gdzie powinne i tam pozbywają się też ładunku. Brak działań ubocznych, niechcianych, lek działa tylko, tam gdzie powinien, wspaniała sprawa. Dla nanotechnologii tyle jest możliwych rozwiązań, że aż głowa boli:)
Same efekty (oba, Casimira i ten drugi) są, już bez związku z nanomaszynami, niezwykle ciekawe. Kiedy pierwszy raz słyszałem o ich istnieniu, spadłem z krzesła z wrażenia. W końcu to są jakieś interakcje między przedmiotami, które wynikają z zawartości “niczego”, próżni. Niesamowite, jakie mechanizmy są ukryte w naszej rzeczywistości.
/ Cytuj komentarzCytując wikipedię:
A tak na poważnie, to posiadając tyle energii bylibyśmy w stanie zakrzywiać przestrzeń (załóżmy że w sposób kontrolowany) i umożliwiłoby poruszanie się po wszechświecie “na skróty”. No trochę się zagalopowałem, szczerze mówiąc nie wydaje mi się aby to wszystko było takie proste 
“każdy metr sześcienny wszechświata ma gęstość energii odpowiadającą 10^94 gramom materii (to 10^14 razy więcej, niż cała materia wszechświata)”
Całkiem sporo energii tkwi w próżni, czyli w sumie w niczym. Gdyby dało się to okiełznać, to moglibyśmy sobie pozwolić na tworzenie własnych czarnych dziur, wszechświatów
Być może wszechświat powstał w wyniku fluktuacji w próżni, która z jakiś powodów urosła do astronomicznych rozmiarów.
Pozdrawiam
/ Cytuj komentarzjeśli w prózni tkwi energia, czy nadal jest ona próżnią?
każde zakrzywienie wpływałoby na to co jest pomiędzy, burzyłoby porządek/chaos wszechświata – groźne
/ Cytuj komentarzTo trochę skomplikowane i nie jestem w stanie tego wytłumaczyć odpowiednio, ale odpowiedź brzmi: tak:)) Nawet doskonała próżnia to coś, co nie jest absolutnie puste, nie ma tam może materii, ale w wyniku kwantowych zjawisk ciągle pojawiają się i natychmiast znikają cząstki elementarne:)
/ Cytuj komentarzZastanawiam się, czy efektu Casimira nie można by było także wykorzystać. Jeżeli materiały te przyciągają się (siła może niewielka, ale rozłożona na większej powierzchni może po zsumowaniu okazać się duża) to czy nie można by było wykorzystać tego do budowy jeszcze trwalszych materiałów???? Przypóśćmy pancerze, które opierałyby się dzisiejszym rakietą przeciwpancernym.
/ Cytuj komentarzWitam serdecznie:)
Niestety nic mi nie wiadomo o zastosowaniu efektu Casimira w podobnych celach, jednak tak na pierwszy rzut oka wydaje mi się, że to by się nie udało:) Myślę tak dlatego, że siła, jaka działa między elementami jest niezwykle mała, zacytuję Wikipedię:
Powoduje to wprawdzie “klejenie” się elementów nanomaszyn, jednak pewnie trochę to za słaba siła dla wzmacniania materiałów. Ale nie wiem tego na pewno, trzeba by poszukać w sieci:)
/ Cytuj komentarz