Gordon Moore, az Intel kereskedelmi igazgatója 1974 táján, üzleti terv készítése közben vette észre, hogy az egyre zsugorodó méreteknek köszönhetően a gyár képes évente megkétszerezni az egy csipen elhelyezett tranzisztorok számát. Arra tette le a garast, hogy ez még pár évig lehetséges lesz. Hogy harminc évig, azt maga sem gondolta, igaz, a kettő mára 1,8-szorosra csökkent. Most úgy tűnik, ha ezt az ütemet tartani tudjuk, akkor 2016-ban érünk el ahhoz a mérethez, amelynél lejjebb már nem lehet menni, mert akkor egyszerűen nem fér el elég atom ahhoz, hogy tranzisztorként működjék ez a szerkezet.
A miniatürizálásnak nemcsak azonnal látható előnyei (kis méret, fogyasztás stb.) jelentősek, hanem az integrációs fokkal a megbízhatóság is megnő. Minél többet zsúfolunk az áramkörbe emberi intelligenciából, annál ritkábban kell annak tőlünk, tévedni képes emberektől bármit is kérdeznie.
Az anyagok atomi szintű láthatóvá tétele a XX. század nagy eredményei közé tartozik. Ezeknél a módszereknél az „atomi felbontás” mindig is közvetett láthatóvá tételt jelent, azaz nem magát az atomot látjuk, hanem atomok közös megnyilvánulását, mint például az atomi felbontású transzmissziós elektronmikroszkópiai képnél. Fokozatosan fedezték fel azokat az eljárásokat, amelyek ugyan közvetettek, de az egy-egy atom által kibocsátott válaszjelet érzékelik – ilyen a pásztázó alagútmikroszkóp, a pásztázó atomerő-mikroszkóp, de ilyen a már jó fél évszázados ötlet, az ún. téremissziós mikroszkóp is.
A következő lépésben a kutatók már azokat a módszereket keresték, amelyek atomi szinten kézben tartott megmunkálást jelentenek. Az elmúlt néhány évtizedben megjelentek olyan fizikai módszerek, amelyekkel ilyen rétegeket lehetett előállítani, ezeket azután például a mikroelektronika rajzolatkészítő eljárásaival a kívánt alakra lehetett faragni. Ilyenek a speciális oxidnövesztések, a molekulasugaras epitaxia (MBE).
A nanotudomány eredetileg az egyedi manipulációk kifejlődésével indult. Ehhez egy szellemesen egyszerű műszaki termék létrejötte kellett, a piezokerámiáé. Ez a keramikus anyag, ha elektromos feszültséget adnak rá, reprodukálhatóan összehúzódik, illetve kitágul. Ez az alakváltozás olyan kicsiny, hogy az az atomi méretek tartományában szabályozható: így atomi pontossággal lehet mondjuk egy tűt a vizsgálandó vagy átalakítandó felület mentén mozgatni (pásztázó alagútmikroszkóp, STM).
Nem sokkal később meg is jelentek azok a képek, melyek egyedi atomoknak a felületen való elrendezéséből születtek, és amelyek betűket ábrázoltak. Ezzel indult el a nanotechnológiai megmunkálások demonstrációs fázisa. Világos, hogy ilyen módon aligha lehetne termelni, de prototípusok készíthetők. Ezt kell követnie olyan eljárások kifejlesztésének, amelyek már atomok tömegeivel végzik el ugyanazt, amit az STM tűje egyetlen atommal.
A már tömeges előállításra is alkalmas jelenségek összefoglaló neve az önszerveződés, mely sokféle okból bekövetkezhet. Ha egy rendszerben a rendezést szolgáló természettörvények nyugodtan működnek, és az ellenségük, a véletlenszerű mozgásokat előidéző hőmozgás nem ront el mindent, nagyon sok rendszer önszerveződik.
Ilyen kis országban, mint a miénk, működő stratégiaként a „réskeresés” jöhet csak számításba e tudományterületen: meg kell keresni azokat a pontokat, ahol a saját eszközeinkkel mások által észre nem vett, vagy más okból nem művelt területeken is tudunk figyelemreméltót alkotni.
Ennek kapcsán a mikromegmunkálás (MEMS) terén elért saját eredményeinkről szeretnék szólni. A mikromegmunkálás témájában a hazai eszközök, lehetőségek is elegendők ahhoz, hogy figyelmet keltő eredményekre jussunk. Már korábban is dolgoztunk a hazai iparnak nyomás-adó csipek fejlesztésével, kissorozatú előállításával. Ezen az alapon jöttek létre azok a konzorciumok, amelyek mára az EU „Mesterséges szaglás” néven futó prioritásához vezettek, ahol a végcél a kábítószer-, robbanószer-, környezetkárosító gázmolekulák mérése, azonosítása. Az egyik elv egy szabályozható mikrofűtőtestre alapozódik, amelyre katalitikus anyagok vihetők fel, és az égéshő mérésével lehet az anyagokat vizsgálni, a katalizátorral azonosítani.
Jelenleg egy hatelemű csip kifejlesztése folyik környezetvédelmi célokra (szeméttelepek kigőzölgésére). A csipen új rendszerű, mikroméretű gázáramlásmérő is van, amely úgy jelzi az átszivattyúzott gáz mennyiségét, hogy egy ilyen fűtőtest hőimpulzussal kissé felmelegíti az alatta áramló gázt, és egy – meghatározott távolságban létrehozott – hőmérőnek kialakított érzékelővel mérjük, mennyi idő múlva ér oda a melegített gáz.
Az egyik elismerten sikeres kutatásunk a szén nanocsövek (carbon nanotubes, CNT) előállítása és átalakítása. (A szén nanocsövet 1991-ben Iijima fedezte fel. Az ún. egyfalú változatban ezek keletkezése úgy képzelhető el, mintha a grafitból egyetlen síkot lehasítunk, és ezt csővé tekerjük. Az összetekerés módjától függ, hogy a keletkező nanocső fémes vagy félvezető tulajdonságú lesz-e.)
Az első CNT-t – mondhatni – véletlenül készítettük: Dubnában, 1992-ben nagyon nagy energiájú ionokkal bombáztunk grafitot, és az alagútmikroszkóp szálakat jelzett a becsapódási kráterekből kiindulva. Mivel a nanocsöveket nem sokkal korábban fedezték fel, egy ideig eltartott, míg kontrolláltuk, hogy valóban CNT-t állítottunk elő – új módszerrel. Sikerült az ionos bombázást alkalmazó berendezéssel elvágnunk a csövet, és a mikroszkópban a lyukat észlelni.
A CNT különleges anyag: tulajdonságai a gyémántéval vetekszenek. Említettük, hogy lehetnek fémesek vagy félvezető tulajdonságúak. Mechanikai tulajdonságai még érdekesebbek: olyan szilárd, hogy a saját súlyát a Földön – képletesen – körülbelül 5-600 km hosszban elbírná! Összehasonlításul: az acélra ez az érték 25-30 km! Érthető tehát a világszerte megnyilvánuló érdeklődés, többek között mint kompozitanyag töltelékeként.
Jelenlegi munkáink a nanocsövek átalakítására vonatkoznak. A CNT hatszöges elemekből áll, van egy- és többfalú változata. Sikerült a csoportnak olyan eljárást kidolgoznia, amellyel – tervezetten – a hatos gyűrűk közé egyes helyekre ötös vagy hetes gyűrűket építünk. Ennek eredménye mechanikai feszültségek beépítése, amely elágazásokat hoz létre, vagy hengerspirál kialakulását eredményezi.
Intézetünk nemrég pályázati úton hozzájutott egy különleges eszközhöz. A pályázat tárgya a nanomegmunkáló állomás volt. Ez alapjaiban különlegesen nagy érzékenységű (1-2 nm!) pásztázó elektronmikroszkóp, amelybe két kiegészítő eszközt építettek be. Egy fókuszált ionnyalábban működő ionmarót (FIB), amellyel szubmikronos léptékben lehet az anyagot eltávolítani, faragni, és egy olyan leválasztó (rajzoló?) rendszert, mely ötféle gázt tud a megmunkálandó anyagra ráfújni, amelyek azután az érkező elektronok vagy ionok hatására vegyülve lecsapódnak a felületre. Mindezen folyamatokat a pásztázó mikroszkópban menet közben látjuk, vezérelhetjük.
A nanotechnológia, amely valahol az informatikai alkalmazások húzóerejét használja, akkor tud egy szerkezetet alkalmazni, ha azon a funkcionális elemek rendezetten helyezkednek el. Ez kell ahhoz, hogy címzetten tudjuk azokat befolyásolni, kiolvasni. Eme önszerveződést megvalósítani – ez a nagy feladat. Az önszerveződés ellen dolgoznak ugyanis a statisztikai, a hőrezgéses események. A nanotechnológiának – ha azt nem alacsony hőmérsékleten akarjuk művelni – ez nagy ellensége…
Annak ellenére, hogy az informatikai alkalmazások húzóágazatok, könnyen lehet, hogy a nanotechnológia igazi területévé az élettudománybeli alkalmazások válnak. Talán nem önmagukban, hanem interdiszciplinává összekapcsolódva.
Ebben a kérdésben már sok minden történt. A mi intézetünk már a nyolcvanas évek végén kooperált a KFKI RMKI kutatóival az agy elektromos jeleinek regisztrálására. Készült is az akkori technológiai szintünknek megfelelő, 16 kontaktusos elektródarendszer, amely a macskák agyába ültetve hetekig alkalmas volt az idegi működés tanulmányozására.
Más biokompatibilis csipeket is készítettünk, amelyek elektródáival csiga-neuronokat tudtunk stimulálni hosszú időn át, azaz a neuron kellemesen érezte magát a tápoldatba merített csipen.
Néhány gondot – személyes véleményeket is – szeretnék még megemlíteni. A nanotechnológia ambíciója, hogy ellesse az élővilág trükkjeit, akár a növényi élet direkt napenergiára alapozott működését (Nap-élet), és ezzel új szerkezeteket előállítani, izgalmas és mindenképpen kutatásra érdemes kérdés. Hogy a DNS nemcsak fehérjéket képes rendezni, hanem fématomokat is a spiráljába befoglalni, azt nemrég öt rézatomra bebizonyították. Az Argonne National Laboratories közölte, hogy funkcionalizált fehérjék aranyatomokat képesek szabályosan elrendezni.
A gondokat másutt látom. Az emberiséget a fosszilis anyagok okozta energiabőség sok nagyságrenddel nagyobb termelékenységgel kényeztette el, mint amit a Nap-élet tenne lehetővé. Tehát mi termelünk, koncentráltan, gyárakban stb.
Az élővilág fejlődése – vegyük az evolúciót – néhány sarkalatos ponton nyugszik. Az evolúciós fejlődés lényege az önreprodukció, az új minőséget annak tartós fennmaradása teszteli. Ha a mai ipar minőségellenőrzésének, a Total Quality Managementnek a követelményeivel akarom ezt összevetni, nagy gondokat érzékelek. A mai ipar megbízhatósági követelményei óriásiak. Gondoljunk egy repülőgép elektronikájára – úgy, hogy éppen benne ülünk. Itt 1010 elvégzett művelet táján lehet egy tévesztést tudomásul venni, de ekkor is a mai gyors gépek – a csűrőlap elfordítása előtt – újra kontrollálhatják, ha gyanús az eredmény.
Vajon időben vagyunk-e a mikroelektronika utáni felkészülésre? Nagy kérdés: jelen lehettem a Cornell egyetem Submicron Facility laborjában egy szakmai diszkusszión, amely az akkor elkészült első 100 nm-es tranzisztorok „kihozatalának” feljavítását célozta. A dátum, figyeljünk: 1986 nyara. A 100 nm-es tranzisztor, tömegtermékként, csak 2001-ben jelent meg – akkor is csak az élvonalbeli gyárakból. Azaz tizenöt év kellett hozzá…
Nos, a 2016 utáni „valaminek” tehát már itt kellene lennie, legalábbis laborszinten. Nagy optimizmus kell annak feltételezéséhez, hogy az itt elmondott sci-fik bármelyike is olyan állapotban lenne, mint a 10 nm-es tranzisztor volt 1986-ban…
Az ember fő problémája a XXI. században az energiagazdálkodás és a környezet fenntartása. A fejlett emberiség missziója ezért az, hogy kidolgozza azt a módozatot, ahogyan tízmilliárd ember tartósan élhet, azaz a zárt ciklusú termelés-fogyasztás megteremtése – minimális anyag- és energiaráfordítással. Amit lehet, a megújuló energiafajtákra kell terelni. A többit atom- vagy majdan fúziós úton kell előállítani. De a Föld felmelegítését nemcsak üvegházhatással lehet elérni, hanem azzal is, ha az érkező napenergia tízezredénél többet szabadít fel többletként az emberiség.
Mit tehet a nanotudomány ebben? Sokat. Eleve anyagtakarékos, s hogy a jövőben enegiatakarékos lesz-e, kiderül.
(A fenti szöveg a november 3-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.)
Az előadás megtekinthető november 8-án (szombaton) a Duna Televízióban 10.55-től, november 9-én (vasárnap) 13.20-tól az MTV-n, valamint 22.05-től az m2-n.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása november 10-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
