nauki ścisłe
Autor: Marek Oramus | dodano: 2012-07-05
Miejsce na dole

Profesor Marek Szymoński w Pracowni Syntezy i Diagnostyki Nanostruktur swojego zakładu w Instytucie Fizyki UJ. (fot. © Marek Oramus)

 

Niedawno minęło 50 lat od wygłoszenia przez Richarda Feynmana słynnego wykładu „Tam na dole jest jeszcze mnóstwo miejsca", uważanego za proklamowanie ery nanotechnologii. Czy rzeczywiście „tam na dole" jest aż tyle miejsca? Innymi słowy - czy Feynman miał rację?

Z pewnością tak, chociaż kiedy to mówił, bardzo trudno było zrozumieć i docenić jego tezy. Wtedy więcej wiedziano o tym, co się dzieje w obrębie jądra atomowego niż w obszarze pośrednim między makro- a mikroświatem, na poziomie układów molekuł czy atomów. Feynman miał więc rację w tym sensie, że w obszarze nano jest mnóstwo potencjalnych, bardzo użytecznych i ciekawych zastosowań. Nie liczymy na odkrycie tam nowych praw fizyki, raczej debatujemy, ile diabłów zmieści się na końcu szpilki - bo w końcu postulat wydrukowania Encyclopaedia Britannica na łebku od szpilki do tego się sprowadza. Jeśli zapoznać się z pełnym tekstem tego wykładu, można docenić klasę człowieka, który go wygłaszał. Czym zajmuje się nanotechnologia pół wieku po Feynmanie? Przecież jeszcze 30 lat temu słowo to w ogóle nie istniało.

W polskiej terminologii słowo zawierające w sobie technologię kojarzy się z wytwarzaniem praktycznych materiałów czy urządzeń. Jest to receptura otrzymywania konkretnych produktów. Natomiast w nanotechnologii wciąż dominuje element poznania podstawowych procesów czy właściwości obiektów nano. Mamy tu szczególne pomieszanie badań podstawowych, czyli fundamentalnych oddziaływań, i aplikacji, przy czym nie chodzi o odkrywanie nowych praw, ale o sprawdzenie, jak te prawa działają w konkretnym obszarze nano. W języku angielskim nie ma takiego problemu, bo tam rozróżnienie między nauką a technologią nie narzuca się tak automatycznie jak u nas. Na to nakłada się utrwalony w Polsce podział między naukami podstawowymi a technicznymi - nanotechnologia jest dziedziną, w której to wszystko jest dosyć dobrze wymieszane. Uważam to za jej wielki walor.

Czym zajmuje się nanotechnologia dziś? Grupa badaczy koncentruje się na obiektach o bardzo małych rozmiarach - nanometrowych. Dla przeciętnego człowieka nanometr nie jest zbyt dobrze wyczuwalny. Ja unaoczniam to, podając, że odległości między atomami w krysztale są właśnie tego rzędu. Badanie materii o rozmiarach nanometrowych jest więc przedmiotem nanotechnologii.

Jestem fizykiem, więc dla mnie istotniejsze jest, jakiego rodzaju procesy zachodzą w tej skali, które czynią z tego obszaru „novum", odmienne od świata w skali większej. Przypuśćmy, że potrafimy wytworzyć materię w postaci granulek o rozmiarach nanometrowych - nie jest to jeszcze podstawa do stwierdzenia, że wchodzimy w nowy obszar nauki. Nie uważam takiego zabiegu za nanotechnologię, chociaż recepta, jak zmienić ten materiał, by osiągnął taki rozmiar, jest przepisem technologicznym. Istotne jest, że przy tych rozmiarach materia zachowuje się inaczej i do opisu procesów w nanoskali musimy użyć innego aparatu - mechaniki kwantowej. Zachodzi tu tzw. kwantowy efekt rozmiarowy, tzn. materia po przekroczeniu pewnego (dolnego) progu rozmiarowego zaczyna zachowywać się jak układ kwantowy, czyli wykazywać te właściwości, które uczeni od początku XX wieku opisywali aparatem mechaniki kwantowej, nie bardzo nawet zastanawiając się, co to znaczy w praktyce. Prosty przykład: przewodnictwo elektryczne. W makroświecie przyzwyczailiśmy się do prawa Ohma, ale jeśli drut, przez który płynie prąd, jest zbudowany z jednego lub kilku łańcuchów atomowych, albo z łańcuchów molekularnych, to przewodnictwo zaczyna zupełnie zmieniać swój charakter. Prawo Ohma już się do tego nie stosuje. Tarcie w nanoskali zachowuje się zupełnie inaczej niż tarcie, z którym spotykamy się na co dzień. Mało tego: chcąc zrozumieć zjawisko tarcia w świecie makro, musimy wyjść od tarcia w nanoskali. Tak więc nanotechnologia zarówno od strony naukowej, jak i zastosowań, jest dla mnie manifestacją, że obiekty w nanoskali zaczynają się zachowywać jak obiekty kwantowe i do ich opisu są niezbędne reguły mechaniki kwantowej. Ten kwantowy efekt rozmiarowy jest podstawą nanotechnologii.

Dla przeciętnego odbiorcy nanotechnologii liczą się jednak zastosowania, np. w medycynie. Tu zaczynam się zastanawiać, czy nie przesadzam z tym kwantowym efektem rozmiarowym, bo duża część zastosowań w tej dziedzinie opiera się na tym, że coś po prostu jest małe. Walorem nowego sposobu podawania leków czy np. działania nanoczujników niekoniecznie jest ów efekt kwantowy, ale jeśli zejdziemy z rozmiarami dostatecznie nisko, mamy z nim nieuchronnie do czynienia. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów nano są tzw. kropki kwantowe, gdzie efekt kwantowy odpowiada za bardzo ciekawe zastosowania (patrz „WiŻ" 4/2010). Moim zdaniem Feynman, gdy mówił, że „jest wiele miejsca tam na dole", miał na myśli to, co daje rozmiar nano w sensie nowych właściwości materii, o których teoria kwantowa „w zasadzie wiedziała" - dlatego on mógł, w naukowy sposób, puścić wodze fantazji.

Feynman wskazał na perspektywy, które się rysują w nanoświecie, ale nie wyjaśnił, w jaki sposób przeprowadzać tam manipulacje.
Mechanika kwantowa, która obowiązuje w świecie nano, była wprawdzie znana grubo przed wykładem Feynmana, ale żeby przejść od znajomości praw do masowych zastosowań, niezbędne było narzędzie. Bez niego nanotechnologia skazana byłaby tylko na rozważania teoretyczne. Dla mnie przełomem w tej dziedzinie jest znacznie późniejszy od wystąpienia Feynmana, bo skonstruowany w 1982 roku skaningowy mikroskop tunelowy STM. Właśnie STM i wynaleziony po nim mikroskop sił atomowych AFM umożliwiają operowanie w tym obszarze i oglądanie nanostruktur oraz śledzenie nanoprocesów. Binnig i Rohrer, wynalazcy STM, bardzo szybko otrzymali Nobla, co świadczy o znaczeniu ich dokonania. Bez wielkiej przesady można powiedzieć, że dziedzina nano zaczęła się od zbudowania tego przyrządu. Później zapomniano nawet, że Feynman był jej prekursorem, a wielu nanotechnologów nawet o jego wykładzie nie słyszało.

Wydaje się, że co najmniej dwa prawa fizyki przeszkadzają nanooperacjom. Myślę o drugim prawie termodynamiki i wynikającej z niego zasadzie wzrostu entropii oraz o zasadzie nieoznaczoności. Wiadomo, że atomy są bardzo ruchliwe - jak to rojowisko opanować, jak narzucić mu nasze reguły i sprawić, by zatańczyły tak, jak im zagramy?

To rojowisko często nam nawet pomaga. Jedną z metod, jaką posługuje się nanotechnologia, jest samoorganizacja. Do tego, aby wytworzyć jakieś struktury uporządkowane w obszarze nano, bardzo często potrzebujemy tej ruchliwości, której dostarcza energia termiczna; potrzebujemy dużego układu termodynamicznego, który sam będzie zdążał do minimum energii. Natomiast w tym, aby wytworzone struktury pozostały stabilne, pomagają znane oddziaływania fizyczne, jak przyciąganie czy odpychanie. Zasada nieoznaczoności w niczym tu nie przeszkadza, bo, po pierwsze, jeśli oglądamy coś w obszarze nano za pomocą mikroskopu STM czy AFM, to mamy do czynienia z sygnałem przeważnie elektrycznym, który nas informuje, co tam się dzieje. Po drugie, oglądamy to, na co nam te prawa pozwalają, np. rozkład gęstości elektronów o dozwolonych stanach, czy to atomowych, czy molekularnych.

Wszystko odbywa się zgodnie z tymi podstawowymi prawami natury i inaczej zresztą być nie może. Co do lokalizacji atomów: jeśli mamy kawałek kryształu o uporządkowanych atomach, to atomy te znajdują się w określonych miejscach sieci krystalograficznej, zwanych jej węzłami. Oczywiście w zależności od temperatury będą się z tych położeń wychylać, ale generalnie są zlokalizowane. To samo dotyczy struktur wytwarzanych sztucznie: musimy atomy czy molekuły umieścić w potencjale, który będzie miał wyraźnie określone minima, czyli będzie je lokalizował - ale to nie jest w żaden sposób sprzeczne z zasadą nieoznaczoności. Chcąc większej precyzji w lokalizacji, musimy układ ochłodzić i np. w naszej pracowni mamy wiele urządzeń pracujących w temperaturach helowych albo w temperaturach ciekłego azotu. Najlepsze z nich pracują w temperaturze 4-5 kelwinów.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 08/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
07/2020
06/2020
Kalendarium
Lipiec
10
W 1865 r. we Wrocławiu założono Ogród Zoologiczny.
Warto przeczytać
Nie tylko tabliczka mnożenia, ale i dzielenia może sama wchodzić do głowy! Pomogą w tym zabawne, wpadające w ucho wierszyki, które pozostają w głowach uczniów. Dzięki błyskotliwym skojarzeniom pozwalają łatwo i bez wysiłku nie tylko nauczyć się tabliczki dzielenia w zakresie do 100, ale także zrozumieć, czym jest dzielenie i dlaczego nie musi sprawiać najmniejszych kłopotów.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marek Oramus | dodano: 2012-07-05
Miejsce na dole

Profesor Marek Szymoński w Pracowni Syntezy i Diagnostyki Nanostruktur swojego zakładu w Instytucie Fizyki UJ. (fot. © Marek Oramus)

 

Niedawno minęło 50 lat od wygłoszenia przez Richarda Feynmana słynnego wykładu „Tam na dole jest jeszcze mnóstwo miejsca", uważanego za proklamowanie ery nanotechnologii. Czy rzeczywiście „tam na dole" jest aż tyle miejsca? Innymi słowy - czy Feynman miał rację?

Z pewnością tak, chociaż kiedy to mówił, bardzo trudno było zrozumieć i docenić jego tezy. Wtedy więcej wiedziano o tym, co się dzieje w obrębie jądra atomowego niż w obszarze pośrednim między makro- a mikroświatem, na poziomie układów molekuł czy atomów. Feynman miał więc rację w tym sensie, że w obszarze nano jest mnóstwo potencjalnych, bardzo użytecznych i ciekawych zastosowań. Nie liczymy na odkrycie tam nowych praw fizyki, raczej debatujemy, ile diabłów zmieści się na końcu szpilki - bo w końcu postulat wydrukowania Encyclopaedia Britannica na łebku od szpilki do tego się sprowadza. Jeśli zapoznać się z pełnym tekstem tego wykładu, można docenić klasę człowieka, który go wygłaszał. Czym zajmuje się nanotechnologia pół wieku po Feynmanie? Przecież jeszcze 30 lat temu słowo to w ogóle nie istniało.

W polskiej terminologii słowo zawierające w sobie technologię kojarzy się z wytwarzaniem praktycznych materiałów czy urządzeń. Jest to receptura otrzymywania konkretnych produktów. Natomiast w nanotechnologii wciąż dominuje element poznania podstawowych procesów czy właściwości obiektów nano. Mamy tu szczególne pomieszanie badań podstawowych, czyli fundamentalnych oddziaływań, i aplikacji, przy czym nie chodzi o odkrywanie nowych praw, ale o sprawdzenie, jak te prawa działają w konkretnym obszarze nano. W języku angielskim nie ma takiego problemu, bo tam rozróżnienie między nauką a technologią nie narzuca się tak automatycznie jak u nas. Na to nakłada się utrwalony w Polsce podział między naukami podstawowymi a technicznymi - nanotechnologia jest dziedziną, w której to wszystko jest dosyć dobrze wymieszane. Uważam to za jej wielki walor.

Czym zajmuje się nanotechnologia dziś? Grupa badaczy koncentruje się na obiektach o bardzo małych rozmiarach - nanometrowych. Dla przeciętnego człowieka nanometr nie jest zbyt dobrze wyczuwalny. Ja unaoczniam to, podając, że odległości między atomami w krysztale są właśnie tego rzędu. Badanie materii o rozmiarach nanometrowych jest więc przedmiotem nanotechnologii.

Jestem fizykiem, więc dla mnie istotniejsze jest, jakiego rodzaju procesy zachodzą w tej skali, które czynią z tego obszaru „novum", odmienne od świata w skali większej. Przypuśćmy, że potrafimy wytworzyć materię w postaci granulek o rozmiarach nanometrowych - nie jest to jeszcze podstawa do stwierdzenia, że wchodzimy w nowy obszar nauki. Nie uważam takiego zabiegu za nanotechnologię, chociaż recepta, jak zmienić ten materiał, by osiągnął taki rozmiar, jest przepisem technologicznym. Istotne jest, że przy tych rozmiarach materia zachowuje się inaczej i do opisu procesów w nanoskali musimy użyć innego aparatu - mechaniki kwantowej. Zachodzi tu tzw. kwantowy efekt rozmiarowy, tzn. materia po przekroczeniu pewnego (dolnego) progu rozmiarowego zaczyna zachowywać się jak układ kwantowy, czyli wykazywać te właściwości, które uczeni od początku XX wieku opisywali aparatem mechaniki kwantowej, nie bardzo nawet zastanawiając się, co to znaczy w praktyce. Prosty przykład: przewodnictwo elektryczne. W makroświecie przyzwyczailiśmy się do prawa Ohma, ale jeśli drut, przez który płynie prąd, jest zbudowany z jednego lub kilku łańcuchów atomowych, albo z łańcuchów molekularnych, to przewodnictwo zaczyna zupełnie zmieniać swój charakter. Prawo Ohma już się do tego nie stosuje. Tarcie w nanoskali zachowuje się zupełnie inaczej niż tarcie, z którym spotykamy się na co dzień. Mało tego: chcąc zrozumieć zjawisko tarcia w świecie makro, musimy wyjść od tarcia w nanoskali. Tak więc nanotechnologia zarówno od strony naukowej, jak i zastosowań, jest dla mnie manifestacją, że obiekty w nanoskali zaczynają się zachowywać jak obiekty kwantowe i do ich opisu są niezbędne reguły mechaniki kwantowej. Ten kwantowy efekt rozmiarowy jest podstawą nanotechnologii.

Dla przeciętnego odbiorcy nanotechnologii liczą się jednak zastosowania, np. w medycynie. Tu zaczynam się zastanawiać, czy nie przesadzam z tym kwantowym efektem rozmiarowym, bo duża część zastosowań w tej dziedzinie opiera się na tym, że coś po prostu jest małe. Walorem nowego sposobu podawania leków czy np. działania nanoczujników niekoniecznie jest ów efekt kwantowy, ale jeśli zejdziemy z rozmiarami dostatecznie nisko, mamy z nim nieuchronnie do czynienia. Jednym z najbardziej spektakularnych przykładów nano są tzw. kropki kwantowe, gdzie efekt kwantowy odpowiada za bardzo ciekawe zastosowania (patrz „WiŻ" 4/2010). Moim zdaniem Feynman, gdy mówił, że „jest wiele miejsca tam na dole", miał na myśli to, co daje rozmiar nano w sensie nowych właściwości materii, o których teoria kwantowa „w zasadzie wiedziała" - dlatego on mógł, w naukowy sposób, puścić wodze fantazji.

Feynman wskazał na perspektywy, które się rysują w nanoświecie, ale nie wyjaśnił, w jaki sposób przeprowadzać tam manipulacje.
Mechanika kwantowa, która obowiązuje w świecie nano, była wprawdzie znana grubo przed wykładem Feynmana, ale żeby przejść od znajomości praw do masowych zastosowań, niezbędne było narzędzie. Bez niego nanotechnologia skazana byłaby tylko na rozważania teoretyczne. Dla mnie przełomem w tej dziedzinie jest znacznie późniejszy od wystąpienia Feynmana, bo skonstruowany w 1982 roku skaningowy mikroskop tunelowy STM. Właśnie STM i wynaleziony po nim mikroskop sił atomowych AFM umożliwiają operowanie w tym obszarze i oglądanie nanostruktur oraz śledzenie nanoprocesów. Binnig i Rohrer, wynalazcy STM, bardzo szybko otrzymali Nobla, co świadczy o znaczeniu ich dokonania. Bez wielkiej przesady można powiedzieć, że dziedzina nano zaczęła się od zbudowania tego przyrządu. Później zapomniano nawet, że Feynman był jej prekursorem, a wielu nanotechnologów nawet o jego wykładzie nie słyszało.

Wydaje się, że co najmniej dwa prawa fizyki przeszkadzają nanooperacjom. Myślę o drugim prawie termodynamiki i wynikającej z niego zasadzie wzrostu entropii oraz o zasadzie nieoznaczoności. Wiadomo, że atomy są bardzo ruchliwe - jak to rojowisko opanować, jak narzucić mu nasze reguły i sprawić, by zatańczyły tak, jak im zagramy?

To rojowisko często nam nawet pomaga. Jedną z metod, jaką posługuje się nanotechnologia, jest samoorganizacja. Do tego, aby wytworzyć jakieś struktury uporządkowane w obszarze nano, bardzo często potrzebujemy tej ruchliwości, której dostarcza energia termiczna; potrzebujemy dużego układu termodynamicznego, który sam będzie zdążał do minimum energii. Natomiast w tym, aby wytworzone struktury pozostały stabilne, pomagają znane oddziaływania fizyczne, jak przyciąganie czy odpychanie. Zasada nieoznaczoności w niczym tu nie przeszkadza, bo, po pierwsze, jeśli oglądamy coś w obszarze nano za pomocą mikroskopu STM czy AFM, to mamy do czynienia z sygnałem przeważnie elektrycznym, który nas informuje, co tam się dzieje. Po drugie, oglądamy to, na co nam te prawa pozwalają, np. rozkład gęstości elektronów o dozwolonych stanach, czy to atomowych, czy molekularnych.

Wszystko odbywa się zgodnie z tymi podstawowymi prawami natury i inaczej zresztą być nie może. Co do lokalizacji atomów: jeśli mamy kawałek kryształu o uporządkowanych atomach, to atomy te znajdują się w określonych miejscach sieci krystalograficznej, zwanych jej węzłami. Oczywiście w zależności od temperatury będą się z tych położeń wychylać, ale generalnie są zlokalizowane. To samo dotyczy struktur wytwarzanych sztucznie: musimy atomy czy molekuły umieścić w potencjale, który będzie miał wyraźnie określone minima, czyli będzie je lokalizował - ale to nie jest w żaden sposób sprzeczne z zasadą nieoznaczoności. Chcąc większej precyzji w lokalizacji, musimy układ ochłodzić i np. w naszej pracowni mamy wiele urządzeń pracujących w temperaturach helowych albo w temperaturach ciekłego azotu. Najlepsze z nich pracują w temperaturze 4-5 kelwinów.