Světově proslulému českému vědci pomohla náhoda Není daleko doba, kdy zmenšování klasických tranzistorů z křemíkových polovodičů dosáhne nepřekonatelné hranice. Jeden z nejlepších současných českých vědců s tím počítá už dlouho a bere miniaturizaci opravdu maximalisticky. Zašel až na úroveň jednotlivých molekul.
Profesor Michl je z českých vědců (i když působí především v USA) asi nejžhavějším kandidátem na Nobelovu cenu. Zabývá se zejména nanochemií, ve které platí ve světě za jednoho z nejuznávanějších odborníků. Dokáže z atomů sestavovat takové uhlíkové molekuly, které se chovají například jako vodní mlýnek. Jelikož otáčením některých svých částí vykonávají práci, říká se jim molekulární rotory. I když se pro svou velikost v řádech miliontin milimetru pod kapotu automobilu příliš nehodí, o lukrativní uplatnění se rozhodně bát nemusejí. Konstruktéři počítačů nebo solárních baterií je už netrpělivě vyhlížejí.
Co na to křemík?
Loňského roku na jaře oslavil čtyřicátiny Moorův zákon, který říká, že se výkon průměrných počítačů se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Spoluzakladatel firmy Intel Gordon Moor, dnes již na odpočinku na Havaji, vycházel z technologického vývoje, který umožňoval vyrábět stále menší křemíkové tranzistory, a tak se jich na počítačový čip mohlo vměstnat pokaždé více. Ještě v současnosti jeho předpověď výkonu elektroniky platí v plné míře. Nezadržitelně se však blížíme bodu, kdy nám fyzikální zákony vystaví nekompromisní stopku. „Mému zákonu během 10 – 20 let dojde dech,“ tvrdí sám autor.
Zástupci Intelu upozorňují, že absolutní hranici, za kterou již nelze jít, představuje 5 nanometrů silná hradla v tranzistoru. V případě, že by byla tenčí, nedokáží již řídit směr pohybu elektronů, bude docházet k samovolným přeskokům mezi jedničkami a nulami a místo dat bude počítač generovat jen náhodný šum. Takto tenkým hradlům odpovídá tzv. 16nanometrová technologie (tedy technologie, v níž má jeden tranzistor šířku 16 nm), která by měla nastoupit kolem roku 2018. Za 10 let tedy máme na krku vrchol křemíkové éry. Pokud od počítačů i nadále budeme vyžadovat zvyšování výkonu, musíme najít takový materiál, který dokáže elektrony držet na uzdě i v mnohem menších rozměrech.
Chování molekuly se musí vypočítat!
Za nápadem stavět si molekuly do požadovaných tvarů stála náhoda. V 80. letech požádal profesora Michla o radu nešťastný student, kterému při syntéze místo požadované sloučeniny neustále vznikaly jen nějaké neužitečné molekuly ve tvaru tyčinek. Jejich podoba prof. Michla okamžitě nadchla a začal přemýšlet o tom, jak k nim vyrobit ještě jakési duté válce, do kterých by se daly zasouvat. I k takto jednoduchým „stavebnicím“ však vedla ještě dlouhá cesta.
Nejprve se k oběma koncům tyčinek podařilo připevnit koule, a vznikla tak jakási činka. Ta sice žádné praktické využití neměla, ale dostatečně posloužila jako odrazový můstek pro vznik složitějších tvarů. Molekuly totiž nelze skládat manuálně, musí se jim samotným chtít nachytat správně atomy a „sednout“ si s nim do požadovaného tvaru.
Jak taková sloučenina musí vypadat, je zapotřebí nejprve přesně teoreticky propočítat z chování elektronů obíhajících kolem jader jejích atomů. U různých atomů se elektrony pohybují po různých drahách (orbitech) a jejich podoba se ještě mění podle toho, s jakými dalšími atomy se váží v molekule. A právě z vlastností těchto orbitů se následně dá určit tvar budoucí molekuly.
Příroda to již dokáže
Přes veškerou genialitu nápadu musíme profesoru Michlovi upřít originalitu. Sám přiznává, že se pro své molekulární hračky nechal inspirovat přírodou. Na první pohled se zdá, že živé organismy nemají se stroji vcelku nic společného, ale ve skutečnosti jsou jejich buňky přímo přecpány složitými součástkami, které svou funkcí odpovídají technickým motorům. V buňce bychom našli jakousi turbínu vyrábějící energii, nebo třeba obdobu ozubeného kolečka posouvajícího se po řetězu, která takto transportuje látky přes membrány. A našla by se i další taková zajímavá „zařízení“.
Musíme však připomenout, že zatímco naše technické motory z makrosvěta potřebují nějaký impuls, aby začaly pracovat, na nanostrukturní úrovni je tomu jinak. Veškeré molekuly se při teplotě vyšší než absolutní nula (-273 oC) neustále pohybují neuspořádaným (Brownovým) pohybem. K vykonání požadované práce (tedy vlastně k sestrojení rotoru) pak stačí tento pohyb nějakým způsobem usměrnit a využít. Jen je zapotřebí vědět, jak na to.
„Máme se ještě co učit. V porovnání s buněčnými motory jsou ty naše molekuly jen takové dětské hračky. Příroda je má mnohem propracovanější a také přibližně stokrát větší,“ dodává k tomu prof. Michl. „Kvantová chemie je z větší míry o složitých teoretických výpočtech, k experimentování se samotnými chemikáliemi se takový vědec dostane jen zřídka. Občas ani nemusí vědět, jak dobře známá sloučenina ve skutečnosti vypadá.“
Příprava trvá i několik let
Až se podaří všechny složky zkombinovat do požadované podoby na papíře (poslední dobou už na počítači), může začít vlastní syntéza. Ani ta však není bez úskalí, nelze k sobě slít tři chemické látky, během raekce přidávat nějaký ten katalyzátor a čekat, co z toho vznikne. Je zapotřebí postupovat krok za krokem, „přesvědčovat“ molekulu, aby si právě teď vzala k sobě tenhle kousek sloučeniny a mohla tak v následující reakci přibrat jinou, díky které se na opačném konci ohne do pravého úhlu.
Uvařit molekulu, která vypadá přesně podle návrhu na papíře, trvá i několik let. Ale přípravou sloučeniny práce zdaleka nekončí. Teď je zapotřebí nanést látku na absolutně čistý povrch ze zlata tak, aby mezi jednotlivými molekulami byly „mezery“ v ideálním případě 5 nanometrů. O úspěchu či neúspěchu se pak vědci dozvědí ze spektrofotometru. Pokud se vše zdá být v pořádku, nastupuje ještě zkouška otáčivosti jejich částí.
Oko do molekuly
Obyčejný světelný mikroskop by byl pro sledování molekul o velikosti v řádech několika nanometrů vcelku k ničemu, jelikož dokáže zaznamenat jen předměty větší než je vlnová délka světla (stovky nanometrů). Proto se menší útvary zkoumají za pomoci toku elektronů, jehož vlnová délka je nepřímo úměrná jejich energii. Jinak řečeno, elektron s vysokou energií má kratší vlnovou délku než jeho „líný“ protějšek. Tato vlastnost konstruktérům elektronových mikroskopů umožňuje, aby sami určovali, jak velké objekty dokáže jejich stroj rozeznat.
Pro sledování povrchů vodivých materiálů se však sahá ke skenovacímu tunelovacímu mikroskopu, který dokáže rozeznat i jednotlivé atomy. Z tenoučké jehly, která se pohybuje těsně nad zkoumaným povrchem, vysílá silný tok elektronů, jehož vlastnosti se mění podle toho, jaké molekuly zrovna „osahává“. Vše pak zaznamenává do grafu.
Vodní kola a helikoptéry
Co ale v současné době molekulární rotory opravdu již dovedou? Prof. Michl už od jednoduchých „činek“ postoupil k několika typům molekul, na jejichž statickou část jsou připevněny otáčející se díly. Molekuly složené z několika stovek atomů mají základnu velkou 2 x 3 nm a jsou 1 nm vysoké. Tzv. azimutální rotory se otáčejí kolem svislé osy jako vrtule helikoptéry, zatímco výškové se otáčejí kolem vodorovné osy (vypadají jako vodní kolo). Na různě silná elektrická pole reagují změnou rychlosti a směru otáčení, což lze využít v mnoha oblastech.
„Vrtule“ se například jeví jako výborný prostředek pro využití sluneční energie, „vodní mlýnky“ dávají zas velkou naději na sestrojení molekulárního čipu, chemických senzorů nebo miniaturních čerpadel. „Chtěli bychom sestrojit molekuly s většími lopatkami, které by se kromě elektrického pole daly pohánět i světelným zářením nebo tekutinou či plynem,“ upřesňuje plány do budoucna prof. Michl.
Zajímavý je také nápad využít molekulární rotory na ochranné brýle. Za běžných okolností by jejich „lopatky“ světlo propouštěly a v případě, že by na brýle dopadl laserový paprsek, přestavily by se tak, aby lopatky vykrývaly veškerou plochu povrchu.
Na některých výzkumech prof. Michla, který jinak působí zejména v USA, se podílejí i některé české ústavy. Úzká spolupráce se týká především Ústavu organické chemie a biochemie a Ústavu fyzikální chemie naší Akademie věd.
Nejmenší auto na světě
Letos na jaře byl představen automobil vyrobený z jedné jediné molekuly. Je široký 4 nm (pokud bychom jich vedle sebe naskládali 20 000, dosáhli bychom síly papíru), což odpovídá například tloušťce DNA šroubovice. Strojek se skládá z pevné organické kostry, na kterou jsou připevněna 4 acetylenová otočná kola.
Pohon je zajištěn jakýmsi mlýnkem ze složité organické molekuly. Na auto stačí jen posvítit, proudící fotony se opřou do lopatek a roztočí je. Ty se pak odstrkují od povrchu, takže fungují stejně jako koleso parníku. Vozítko se dokáže pohybovat rychlostí 2 nanometry za minutu.
K čemu, že je taková hračka vlastně dobrá? Třeba jako nanotraktory, na některých površích by za sebou zanechávaly tenoučkou brázdu, což by umožnilo velmi přesnou úpravu povrchu (například pro využití v nanoelektronice).
Jednomolekulární čip
Kromě klasické křemíkové technologie se společnosti vyrábějící procesory pokoušejí vyvinout i jiné metody, které by v budoucnu dokázaly zaplnit vakuum po současných typech. Jednu z nich představují tranzistory z uhlíkových nanovláken, které jsou ještě několikrát menší než nejmenší možné křemíkové varianty. Na počítačový čip by se jich tedy vešlo ještě mnohem více. Obvody konstruované touto technologií však nejsou ani zdaleka tak rychlé jako jejich křemíkové protějšky. Důvodem je obtížnost přesného propojení takto miniaturních součástek.
Letos na jaře tedy firma IBM představila čip, který je celý vyroben z jediné molekuly. Jako jednotlivé tranzistory slouží její menší pododdíly. Integrací celého obvodu do jediného vlákna se údajně podařilo dosáhnout tisíckrát vyšší přenosové rychlosti než v případě čipů s několika samostatnými tranzistory. Přesto se rychlost stále ještě nevyrovná dnešním křemíkovým čipům. IBM ovšem tvrdí, že optimalizace a zrychlení nanouhlíkových obvodů je jen otázkou času.
Kdo je profesor Josef Michl?
V současnosti jeden z nejcitovanějších českých vědců přednáší chemii na Koloradské univerzitě v Boulderu. Kromě několika čestných doktorátů a mnoha vyznamenání byl i opakovně nominován na Nobelovu cenu. Je autorem více než 600 prací v odborných časopisech.
Narodil se v roce 1939 a už jako školák si doma vybudoval malou chemickou laboratoř. Podle jeho vlastních slov se diví, že se tehdy v té nevětrané komůrce neotrávil.
Již během vysokoškolských studií (na konci 50. let minulého století) se začal zabývat organickou kvantovou chemií, která tehdy ještě nestačila do Čech dorazit. Nezbývalo tedy než se na založení tohoto oboru u nás aktivně podílet.
V roce 1968 emigroval a natrvalo se usadil v USA. Nyní žije v koloradském Boulderu. Od roku 1989 se pravidelně vrací do Prahy na krátké pobyty, letos naplno rozběhl spolupráci s několika českými chemickými ústavy, ve kterých se snaží rozjet výzkum zaměřený na molekulární elektroniku.
