A "Nano" képző és általam látott gondjai a különböző szakmai szóösszetételekben Gyulai József MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet
Az alapkérdés a XXI. században: az energia, -előállítás, -gazdálkodás az emberi életkor nyújtása hmmm? Az "írástudók" tudhatják csak a megoldást megtalálni: minden technológiát át kell gondolni, hogy azonos feladatot kevesebb energiával, anyaggal, zárt termelési-fogyasztási folyamatokat létrehozni. Fény az alagút végén: a fejlett országokban az 1$ GDP megtermeléséhez szükséges energia évi 5-6%-kal csökken Felelősségünk, hogy a fejlődő országokba ne száműzzük a rossz technológiákat Az idejében való elfogadtatás: a politika, társadalom érettsége
Mai Credo-m: a "multidiszciplina"... Olyasmit várok az élettudományokban, mint ami a kémiával történt 1930 táján: a fizika, matematika, elektronikus méréstechnika kémiává szervült Azaz, a XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, informatikájára, mint az akkori-mai biológiára Falus András szívemből szólt: "A biológia most kezdődik " De: a paradigmaváltást én két szinten is vágyom: nem csak a fizikai-kémiai metodikák bevitele, alkalmazása az élő rendszerekre, amely ismert, hanem az élettelen természettudományok gondolkodásmódjának, azaz az első elvekre való visszavezetésnek a célul tűzése
A kémia és a nano A kémikusok, főleg a kolloidkémikusok gyakran mondják, hogy ők mindig is nanotechnológiát csináltak. Ez majdnem a teljes igazság: korábban nem volt fontos, hogy molekuláris szinten meg lehessen találni a terméket a reaktorban. Ma valódi nano-alkalmazásoknál címezhetőnek kell lennie minden egyes molekulának nagy kihívás a kémiának Én, pl. a katalízist úgy vizualizálom, hogy a katalizátor atom a maga elektronszerkezetével, üres d-, f-héjaival létrehoz egy olyan dinamikus elektromágneses teret, amelybe ha betévednek az atomok, ionizálódnak és vegyülnek.
A nanotechnológia módszerei A pásztázó szondás módszerek mint kísérleti preparatív technika: egyes atomok rendezése ezzel indult, de ez termelére alkalmatlan Az önszerveződés: a természettörvények, ha tudják, eljuttatják az atomokat az egyensúlyi állapotba amolyan "laissez-passer" azaz "magától" épül a kívánt szerkezet
Mérnöki gondolkodás a biológiában - kevesebb antropomorfizmus Pl. a stressz protein Megtalálja a sérült fehérjét, hogyan? megméri, hogyan? Átadja a saját testének egy részét milyen energetika vezérli? Tudjuk, csak atomi erők szerepelhetnek Én ennek megértését tekintem a biológia új életének
Vagy a megbízhatóság kérdése A mikroelektronikai eszközök mintegy 10 10 művelet esetén téveszthetnek egyet ami még redundáns szervezéssel javítható is, A gyógyszeripar megbízhatósági kritériumai kemények, de néhány ppb felesleges molekula aligha okoz gondot. A nanoelektronikai eszközök előállításában használt önszerveződő folyamatokban a képződött molekulát címzetten meg kell tudni találni új precizitási lépcsőfok A mai nanotechnológia inkább laborszint, még adós az ipari megbízhatósággal De ez nem egyszerű:
Paradigmaváltás a nanotudományban Mai műszaki ipar Terv, kísérlet Gyártás TQM tolerancia, elfogad, kidob Mikroelektronika biztonsága Nanovilágban Pásztázó szondák, ill. önszerveződés TQM, de hogyan? Jó az élővilág modellje? Gyorsított evolúció'? a mutáció a mai majdnem selejt? kiválasztódás felgyorsítva? A gyógyszer-jellegű TQM rendben Kontrollálatlan (?) redundancia Kontrollált redundancia
Megbizhatóság (Swiss Fed. Labs for Matls Testing and Res.) A nem-skálázó fizikai folyamatok tömeg és hődiffúzió, elektromos vezetőképesség, reakciókinetika, korróziós folyamatok, stb. Fáradás, súrlódás, fáradás, javítási mechanizmusok mások az atomi és molekuláris léptékben. Redundancia, a kvantumállapotok korrelációja is kvantumstatisztika- és hulláminterferencia-függő Modellezés, kutatásigényes Hibatűrő megoldások igénye
A nano Hazánkban nem lett valódi kormányprogram a nanotechnológia mindössze egy közepesen megfinanszírozott, tematikailag elég jól illeszkedő, új BAY-intézet csatlakozott a nano -t választó, jobb infrastrukturájú, de alulfinanszírozott MTA kutatóintézetekhez. A téma talán egy századát kapta meg a világban megszokottnak Ismert a hiba: a hazai kormányzatok nem először vakok abban, hogy vannak kihagyhatatlan műszaki kultúrák ilyen volt a hetvenes években a mikroelektronika, máig szenvedjük ma ilyen a mikro- és nanotechnológia! Egy mérnök, akinek nincs a vérében a tiszta labor kultúra, aligha tud biotechnológiát is csinálni
A legnagyobb infrastrukturális hátth ttér r (MFA) Nanomegmunkáló állomás, FIB : vág, " alakra farag", fémet, szigetelőt leválasztó CVD, 5 gáz Szenzorika-félvezető Labor Nanocső "gyártás"
A mikro- és nanotechnológia szimbiózisa Micromachined Systems (MEMS) + nano A MEMS mikroelektronika más területen Párhuzamos megmunkálás: olcsó, pontos Miniatürizálással a kezelhetőség megmarad, ha intelligenciát is belezsúfolunk - ez működik MEMS a nanotechnológia "infrastruktúrája" Mesterséges szaglás, látás stb. - szervetlen, ill. bio- és biomimetikus rendszerek (megbízhatóság?) Miniatűr gépek Orvosi alkalmazások esetén: biokompatibilitás
Safegas projekt eredménye mára termék a Weszta-T Kft. palettáján Mikrorezsó, rajta katalizátor, elégeti a keresett molekulát és az így megnövekvő hőmérsékletből következtet a gáz fajtájára, koncentrációjára
Taktilis, tapintás-érzékelő (Tactologic Kft.) Az egyedi érzékelő a mikrorezsó technikájával készül 2009. március 11. NANOMEDICINA
Mikro-nano szimbiózis, itthon, ma, Fürjes P., MFA. 200µm Mikrofluidikai példa, turbina, MFA 20nm pórus FIB DNS átfér rajta, Gyurcsányi Róbert, BME Anal. Tsz.
A Nanogas szén nanocsöveket használ jelenleg fél-kvantitatív A szén nanocső atomi felbontású képe; szerkezeti hiba kell, hogy érzékeljen Választott demo anyagok/oldószerek : víz, aceton, etilalkohol, kloroform, triklóretilén
Talán egy Hungarikumot is segítünk Egyetlen borászat két Kékfrankos évjárata, két borászat Cabernet sauvignonja, és egy Tokaji Hárslevelű
Grafén az új izgalom Pásztázó szondák, MFA: plazmapisztoly Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA http://www.nanotechnology.hu/
Biomimetika és gondjai A nano tanulni kíván a természettől. De nem egyszerű: az evolúció mindig némileg másra optimált! Bioüzemanyag: a fotoszintézis túlprocesszálja a napenergiát cellulózzá. Így a napelemmel, szélerőművel való összevetésnél a már tárolt energia (hidrogén, stb.) kinyerésével kell hasonlítani, ami még ront a bioetanol hatásfokán. A pókháló vs. kevlar: egyetlen fizikai paraméterben van különbség köztük, a lassú, ill. gyors deformáció munkájában. Ettől jó az egyik légyfogásra, ill. golyóálló mellénynek a másik. A van der Waals erők természetbeni szerepe. A fotonikus kristályok a természeti színekben?
Van der Waals erők soxorozva Sima felülethez tapadás gekkó: 20N erő szemben a 43 g saját tömeggel ugrópók: 624 000 szőrszál a nyolc lábon elbírja a saját súlyának 170-szeresét van der Waals-erő (nemrég volt Nature cikk: hogyan választja el magát?) A nanotudomány igyekszik ellesni, megvalósítani: spidar
A címlapon: A nagy képen egy nyitott szárnyú Morpho rhetenor lepke, alatta balra egy Albulina metallica, míg jobbra egy Cyanophrys remus lepke felső és alsó oldala látható (K. Kertész felvételei MTA-MFA. K. Kertész et al, Phys. Rev. E, 74 (2006) 021922 2009. március 11. NANOMEDICINA
A szálakban UV-ban elnyelő pigment található, a bordázat szerepe, hogy a megfelelő hullámhosszúságú fényt becsatolja a szálba. J.P. Vigneron et al., Phys. Rev. E 71 (2005) 011906
A forgómozgás és az evolúció E.Coli baktérium csillója 100 000 ford./perc, proton-ugrás, nanomotor Adenotrifoszfát, ATP, átalakítása nanomotorrá (Cornell) El tudjuk-e tanulni ezt a bottom up "gyártást"?
Operating Manual for Spaceship Earth - Buckminster Fuller (1969) Biosphere, Montreal, 1967
Végső motto: "Spaceship Earth" "One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it " Operating Manual for Spaceship Earth - the architect Buckminster Fuller (1969)
Következtetések Reciklizálható és bottom up technológiák, az önszerveződés bűvszó kihívás a fizikának, kémiának Az energia-igény redukciója, a megújuló energiaforrások arányának nem-piaci növelése Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá Társadalmi elfogadtatás: a társadalom és a politika érettsége...
Optimizmusom, kétségeim Van, még ha halvány is, de esély arra, hogy 6-10 G ember is élhet a Földön A nevelés missziója megmutatni, hogyan? és elfogadtatni hit és a politika A tudomány receptje alapvető: minden technológiát újragondolni kevesebb anyag és energia, valamint reciklizálás Hulladék Alapanyag A hit és a humaniórák tehetik azt a furcsa világot élvezhetővé