Exkluzivně pro 21. STOLETÍ ze Švýcarska
Tunelovací mikroskop nemá nic společného s hloubením děr v zemi. Toto zařízení umožňuje provádět tak neuvěřitelné věci, jako je třeba manipulace s jednotlivými atomy. 21. STOLETÍ mělo možnost pozoruhodné místo navštívit a setkat se s vědcem, který převratnou metodu vymyslel.
Jedno z nejvýznamnějších světových pracovišť, které se vývojem a uplatněním převratné technologie zabývá, se nachází poblíž švýcarského Curychu. IBM Zurich Research Laboratory je na první pohled nepříliš nápadná budova s typickou „skleněnou“ architekturou 60. let minulého století. Leží jen několik minut jízdy od curyšského letiště uprostřed zeleně a malých rodinných domků.
Laboratoř s alchymisticky znějícím označením „atomic manipulation“ obnáší jen pár místností, od podlahy ke stropu zaplněných lesklými trubičkami, dráty a obrazovkami. Pro laika je k nerozlišení od jiných vědeckých pracovišť, ale ve skutečnosti se tu lidé pohybují na samé hranici možností současných technologií. Dost možná, že právě tady nastal stejný civilizační zlom, jako když se o pár desítek tisíc let dříve pračlověk naučil používat kámen. S tím rozdílem, že těmi „kameny“ jsou tentokrát samotné atomy.
Spatřit atomy ovšem není jen tak. Jsou velké jen zlomky nanometrů, a tak nelze použít optických metod, protože tato vzdálenost je ještě o několik řádů menší než vlnová délka světla. Muselo se na to tedy jít nějakou oklikou.
Podivný svět za zrcadlem
Říká se „Hlavou zeď neprorazíš,“ a málokdo rozumný se bude pokoušet toto tvrzení experimentálně vyvrátit. Přesto neplatí tak docela, dokonce je možné se ocitnout za zdí, aniž bychom ji poškodili. Tedy, samozřejmě nikoliv v našem světě, který se řídí zákony klasické newtonovské fyziky, ale ve světě subatomových částic. Od určité velikosti (či spíše malosti) totiž přestává fungovat to, čemu jsme zvyklí říkat zdravý rozum a začínají platit úplně jiná pravidla.
Přechod mezi klasickou a kvantovou fyzikou může někomu připomínat vstup Alenky do říše za zrcadlem, jen místo kočky Šklíby tu najdeme jiné divy. Například (při troše zjednodušení) možnost překročit rychlost světla, nacházet se na dvou místech současně a také procházet překážkami, které by podle Newtona měly být neprostupné.
Kde platí jiná fyzika
Právě poslední ze zmiňovaných divů umožnil vznik skenovacího tunelovacího mikroskopu. Pravidla kvantové fyziky totiž připouštějí, aby částice za určitých okolností prošla energetickou bariérou. Podrobnosti a rovnice tohoto přechodu raději přenecháme teoretickým fyzikům a spokojíme se s konstatováním, že se tomu výstižně říká tunelový jev.
Jakkoliv vypadají děje v kvantovém světě nepravděpodobně, dnes na nich stojí celá naše každodenní elektronika, od tranzistorů a laserových diod až k počítačům. Existenci tunelového jevu se podařilo i experimentálně dokázat. Roku 1973 obdrželi fyzikové L. Esaki (Japonsko) a I. Giaever (USA) Nobelovu cenu za důkaz existence tohoto efektu v polovodičích a supravodičích. Téhož roku společně s nimi získal cenu i B. Josephson z britské Cambridge za teoretickou předpověď podoby tunelového jevu v supravodičích.
Tam dole je spousta místa
Když někdy okolo roku 400 před počátkem našeho letopočtu řecký filosof Démokritos vykoumal, že nejmenší částečkou hmoty jsou atomy, sotva ho napadlo, že lidé jednou budou schopni je nejen spatřit, ale dokonce s nimi i manipulovat.
O bezmála 2500 let později (roku 1959) však slavný americký fyzik Richard Feynman svou přednáškou nazvanou „Tam dole je spousta místa“ vstoupil do dějin technologie, pro kterou pak roku 1974 japonský vědec Noriro Taniguči navrhl název nanotechnologie. Feynman tvrdil, že příroda pracuje především na úrovni atomů a molekul a že je v zájmu lidí naučit se totéž. A nanotechnologie ve skutečnosti znamená obrábění a manipulaci v měřítku miliardtin metru.
Mikroskop nemusí mít čočky
Z hlediska možnosti „vidět“ atomy je důležité, jak se dá tento jev prakticky využít. Pokud k vodivému povrchu přiblížíme hrot ze stejného materiálu dostatečně blízko, může, velmi zjednodušeně řečeno, mezerou (díky tunelovému jevu) protékat proud. Když se hrot nad materiálem pohybuje ve vodorovných řádcích (proto termín „skenovací“), mění se velikost tohoto proudu podle uspořádání atomů ve zkoumaném vzorku. Za pomoci přesného posuvu a citlivého snímacího zařízení lze tedy lokalizovat jednotlivé atomy vzorku. Tomuto uspořádání se říká „režim s konstantní výškou“. Jinou možnosti je udržovat stejný proud a sledovat změny vzdálenosti mezi hrotem a materiálem. V tomto případě se jedná o takzvaný režim s konstantním proudem.
První takový unikátní mikroskop se podařilo sestrojit roku 1981ve vývojových laboratořích IBM ve švýcarském Curychu. O pět let později za to Němec Gerd Binnig a Švýcar Heinrich Rohrer získali Nobelovu cenu.
Od té doby byla metoda skenování vzorku pomocí tunelového jevu rozpracována do mnoha variant pro nejrůznější použití a pro studium různých vlastností nebo povrchů.
Zatímco optický nebo elektronový mikroskop dává srozumitelný obraz, skenovací tunelovací mikroskopie zpočátku nic takového nenabízel – výstupem byl jen soubor údajů o zkoumaném vzorku. Pomocí propojení s počítačem však lze tato data převést do viditelné podoby. A nejen to, tunelovací mikroskop může posloužit i jako nástroj.
Vědec jako hippie
Ten obrázek počátkem 90. let oblétl svět a prošel i médii, která se jinak o vědu a techniku příliš nezajímají: tři písmena IBM sestavená z 35 jednotlivých atomů xenonu na povrchu niklu. Písmena byla vysoká pouhých 5 nm. „Autorem“ obrazu, který znamenal přelom, byl Donald Eigler z IBM Almaden Research Center v Curychu.
Vůbec nevypadá na vědce, jehož jméno nechybí v žádném přehledu historických milníků nanotechnologie. Dlouhé šedivé vlasy svázané gumičkou a lehce nepřítomný zasněný pohled vzbuzují dojem umělce – nebo ještě spíš stárnoucího hippie. Paradoxně nápadná je jeho neokázalost až plachost.
„Na vysoké škole jsem měl dva vynikající profesory, kteří mi umožnili už tehdy se podílet na výzkumu. Když jsem dokončoval svá studia, tak jsem upravil tunelovací mikroskop pro oblast nízkých teplot a přemýšlel, co všechno by se s tím dalo dělat. Bylo to velmi vzrušující. A když jsem roku 1986 začal pracovat pro IBM, mohl jsem v tomto výzkumu pokračovat,“ řekl 21. STOLETÍ.
K úspěchu patří hravost
Právě tehdy Don Eigler realizoval svou myšlenku manipulovat pomocí tunelovacího mikroskopu s atomy. Pomocí změny napětí mezi hrotem a povrchem lze totiž atom „uchopit“, přenést na jiné místo a tam jej „odložit“.
Od té doby metoda procházela nejrůznějšími zlepšeními. Roku 1993 například W. Robinett a R. Stanley Williams vytvořili počítačový program, který ve spojení se skenovacím tunelovým mikroskopem umožňuje prohlížet si jednotlivé atomy hmoty, dotýkat se jich a manipulovat s nimi.
Don Eigler necítí potřebu zdůrazňovat pachtění za kariérou, naopak opakovaně připomíná význam hravosti nejen ve vědě: „Jen to, co dělá člověku radost, čím se baví, může přinést výsledky a druhotně třeba i uznání a další prospěch“.
K hravosti ovšem neoddělitelně patří humor, včetně schopnosti utahovat si sám ze sebe. „Vzpomínám si na takový komiks, jehož hrdinou byl opravdu ideální vědec. Za jeden den dokázal provést operaci mozku, vstoupit do jiné dimenze, zachránit zemi před mimozemšťany. Děti ho obdivovaly, atraktivní ženy milovaly. Když se nad tím zamyslím, tak se mi vlastně dost podobá,“ řekl 21. STOLETÍ Don Eigler.
Věda, nebo magie?
Roku 2004 vývojové laboratoře IBM v Curychu ve spolupráci s Technologickou univerzitou Chalmers ve švédském Göteborgu zaznamenaly další úspěch. Jascha Repp a Gerhard Meyer pomocí nízkoteplotního tunelovacího mikroskopu změnili elektrický náboj jednotlivých atomů zlata. „Náš objev je důležitým krokem k používání jednotlivých atomů nebo molekul jako stavebních bloků pro nanotechnologie budoucnosti,“ komentoval výsledek experimentu Gerhard Meyer. „Naše zjištění budou mít dopad nejen na fyziku, ale i na chemii. Možné aplikace představují katalytické reakce, paměťové prvky nebo kvantové počítače.“
Možná jednou půjde vytvářet strukturu hmoty atom po atomu, takže například mechanické prvky, tkaniny, či konstrukční materiály budou mít i funkci elektronického zařízení apod. Vybavují se přitom slova spisovatele Arthura C. Clarka: „Jakákoliv dostatečně vyspělá technologie je k nerozeznání od magie“.
Továrna na stole
Americký institut NIAC, patřící kosmické agentuře NASA, příznivě hodnotí studii, která ukazuje – snad – reálnou cestu, jak by to mohlo jít. Autorem je Chris Phoenix, jehož idea spočívá v tzv. molekulární výrobě (molecular manufactoring – MM), což je vlastně opět skládání výrobků atom po atomu. „Cílem MM je ukládat jednotlivé atomy na předem stanovená místa tak, aby na konci procesu byl požadovaný produkt,“ říká Phoenix.
Podle autorů dříve nebo později půjde vytvořit zařízení, které bude kombinovat více typů nanotechnologických manipulací, od mikromechanických přes chemické až po fyzikální (vyloučit nelze ani jaderné reakce či kvantové jevy), aby pod taktovkou počítačového programu dokázalo z atomů vytvářet základní moduly požadovaného výrobku. Ty by pak robotické mikromanipulátory spojovaly do vyšších celků, až by vznikl hotový výrobek. O předpokládané velikosti takového zařízení (tzv. fabrikátoru) nejlépe vypovídá, že autoři používají také termín „tabletop factory“ – továrna na stole.
Získáme zcela nové materiály?
Produkty by se od dnešních značně lišily. Současné výrobky se totiž skládají ponejvíce z prázdného prostoru, nefunkčních výplní a podřadných laciných hmot. Nanotechnologie však umí vyprodukovat materiály stokrát pevnější než ocel, navíc skládání po atomech do přesně spočítaných kompozitů by konstrukčním prvkům dodalo nesrovnatelně lepší mechanické vlastnosti a neskutečnou životnost.
Ve své struktuře by samozřejmě měly zabudovány elektronické obvody s řadou inteligentních funkcí. Přesto nemusí být nákladnější – ekonomika individuální nanovýroby se řídí zcela jinými zákony než průmyslová velkoprodukce.
Pokud by se to povedlo, došlo by patrně k největší ekonomické revoluci v dějinách. Už v samé podstatě dnešní průmyslové velkovýroby je zakódováno plýtvání s materiály i energií. Za každým výrobkem dnes stojí několikanásobně objemnější hromada odpadu, spotřebovaných pracovních médií, opotřebovaných nástrojů a také energie, ztracené v neefektivních strojích, při chlazení, dopravě atd.
Konec plýtvání!
Sériová produkce také znamená, že zákazníkovi jsou vnuceny výrobky, které spíše než jeho skutečným potřebám vyhovují ekonomice výrobce. Navíc není žádoucí, aby produkt sloužil příliš dlouho, protože továrna musí neustále prodávat. Hromadění produktů i odpadů (což nejednou splývá) má pak za následek vyčerpávání zdrojů, devastaci prostředí…
Naproti tomu stolní továrna, „lepící“ produkt atom po atomu, téměř nezná slovo odpad, protože místo nožů, soustruhů, svářeček a lisů využívá jevů z mikrosvěta, má o několik řádů nižší potřebu energie a je vysoce efektivní. Produkce zboží (lze-li ještě vůbec mluvit o zboží) podle individuálních požadavků a v místě spotřeby znamená nejen lepší výrobky, ale také úspory za přepravu, obchod, balení…
Společenské dopady by ale nejspíš šly ještě mnohem dál. Vymizení tovární velkovýroby a všeho, co na ní navazuje, by mohlo znamenalo rozpad společenské struktury, dramatické změny hodnot i životního stylu. Nejspíš by se to neobešlo bez otřesů… Nebo je to jen další neuskutečnitelný ale lákavý sen?
Rozměry z nanosvěta
Nano – miliardtina čili 10-9 (na minus devátou)
Průměr dvojité šroubovice DNA 1 nanometr (nm)
Molekula bílkoviny 10 nm
Virus 100 nm
Bakterie 1000 nm
Červená krvinka člověka 5000 nm
Prvok krásnoočko zelené 50 000 nm
Uplatnění tunelovacího mikroskopu
Skenovací tunelovací mikroskopie slouží k zobrazování a výzkumu vodivých a polovodivých povrchů v měřítku atomů při rozlišení až 0,2 nanometru. Používá se také pro manipulaci s atomy, k vytváření iontů přemisťováním elektronů mezi atomy a ke spouštění některých chemických reakcí.
