A nanotudománytól a nanotechnológiáig

1. A nanotudománytól a nanotechnológiáig Gyulai József www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

2. Vázlat • Több, mint húsbavágó, „fajunkbavágó”alapkérdés: a Föld lakhatósága… • A nano lényege az építkezés, akár molekulákból, atomokból is • A „nano” világa, a mikro- és a makrovilág • Néhány fontos területe • Nanoelektronika • (Polimér)kémiai termékek (kozmetikumok, öntisztító felületek, stb.) • Nanometallurgia, -kompozitok • Nanomedicina • Nanobiotech • Metaanyagok • A „nanotudománynak” „nanotechnológiává” válásához • a termék „megbízhatósága”, megfelelő minőség-ellenőrzés, és • az alkalmazás és gyártás környezeti kérdéseinek kézbentartása kell • Azok a területek terjednek ma, ahol a minőség-ellenőrzés a hagyományos, pl. gyógyszeripar módszereiből lehet kiindulni • A biztonság, a Nanosafety kérdése! Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

3. Az alapkérdés • A mai tudománynak egyetlen „fajbavágó”missziója és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel a faj- és az önfenntartás ösztönének is: • megkeresni annak a módozatait, hogy hogyan élhet hét-, majd tízmilliárd ember a Földön? – a többi élőlénnyel kölcsönhatásban, különben létrehozzuk a mesterséges „nagy kipusztulást”… • emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége, amely eredmények hatással vannak az első súlypontra is. • Képes lesz-e a társadalom ezt az életforma receptet idejében magáévá tenni? • Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek-kiknek a vallástól remélem … Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

4. A Credom… • Az alapkérdés fő következménye a XXI. században: • az energia, annak előállítása, energia-gazdálkodás • Az "írástudók" tudhatják csak a megoldást megtalálni: minden termék gyártástechnológiáját át kell gondolni, hogy • azonos feladatot, terméket kevesebb energiával, anyaggal, • zárt termelési-fogyasztási folyamatokat létrehozni. • Mérni, intelligens módon visszaszabályozni – ez a jövő világának esélyes technikája • Itt a nanotudomány-, de főleg a nanotechnológia nagy terepe Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

5. A zárt termelési-fogyasztási folyamatok elérése • A zárt termelési-fogyasztási ciklusok stratégiája beleszól az ún. ökológiai lábnyom számításába, • amely 4-6 Földet igényelne már a mai emberiség túlélésének biztosítására is, és amely alapvető szempont a Föld lakhatóságának biztosítására – jelentősen megváltozik: • ha ui. az (alap)anyagok zömmel, pláne kizárólagaz emberi termelésen-fogyasztáson belül forognának, akkor csak az átalakításukhoz szükséges energetika okán terhelik a Földet és növelik meg az ökológiai lábnyomot… • Ez paradigmaváltó lehetőség! Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

6. A nanotudomány, -technológia fajtái • Az élővilág eljárásainak felhasználásával létrehozott nanotermékek, a • Nanobiotechnológia, • A biomimetika átvezet a következő „világba”: • a hagyományos(abb) fizikai, kémiai technológiákkal létrehozott nanoszerkezetű termékek köre; ma úgy tűnik, hogy ezek egy része elérte e „termék” szintet: • Nanoelektronika • Metaanyagok • (Polimér)kémiai termékek (kozmetikumok, öntisztító felületek, stb.) • Nanomedicina • Nanometallurgia, -kompozitok • Az alapvető technológiai eljárás az önszerveződés Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

7. A nanotudomány – szerintem • Kolliod-kémikusok: „mi mindig is nano-t csináltunk…” • Majdnem igaz: a reaktorban ui. csak a nano-molekulákat eredményező reakció volt fontos – a helye, azaz a termékmolekula „címezhetősége”nem, pedig csak így igazi nano… • Kémiai-orvosi: önszerveződés; a természettörvények, ha tudják, eljuttatják az atomokat az egyensúlyi állapotba –amolyan "laissez passer” – a kémiai kötőerők és a termikus mozgás mérkőzése, ennek határai adják a végső teljesítményt, a megbízhatóságot. • Fizikai-mérnöki: hozzájön még pl. az atomi, ionos, elektronos megmunkálás, az önszerveződés tökéletessége (címezhetőség), de a perspektíva a kvantumfizikába való metamorfózis, entanglement • Kombinálhatók még a mikrotechnológiával Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

8. A biológia nyújtotta lehetőségek • A sejten belüli molekuláris „gépek” felhasználása • a (kontroverz) génmódosítás – semmiség, • DNS-felhasználású replikákkal anyagelőállítás; • vírusok, mint önszerveződést provokáló „gépek”; • Ezeket „tudománynak” érzem, egyelőre • Szeretném hinni, hogy ez senkinek a hitét nem befolyásolja: mindez a törvények alkalmazása … A Materials Today illusztrációja Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

9. „Biomimetikus” rendszerek • A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, informatikájára, mint a XX. század biológiájára • Az a szójárás tehát, hogy "a XX. volt a fizikáé, a XXI. a biológiáé" – így értelmetlen • De: a fizikának agresszíven bele kell vonulnia az interdiszciplinákba és nem visszahúzódnia pl. a részecskefizikába, asztrofizikába – mint tartósabban "saját" területekre... Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

10. A biológiai módszerek megbízhatósága • Lesz-e a nanotudományból nanotechnológiai nanogyár? • A biorendszerek "minőségellenőrzése"az evolúció: • a ön-reprodukció, • a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), • a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén • Az emberiség azonban termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik • Minőségellenőrzés • Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, • A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva: lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

11. Kezdjük a nanoelektronikával: a Moore ”törvény” • Évente-kétévente kétszer annyi elem egyetlen chipen • „Talán a hetvenes évek végéig…” – mondta Gordon Moore. • Generikus törvény született, ami – szerintem – inkább üzleti, semmint technológiai! • Az arányos kicsinyítés 2020-ig… • Mára a telekommunikáció is • A szilíciumon ül egy átok: • Nem lehet belőle lézert készíteni • De igyexik a szakma… • http://public.itrs.net/ • Fontos a többi területtel való integráció Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

12. A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl, amelyek számolni képesek. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt IBM Research Dicarbonylcyclopentadienyl (perfluorobutadien-2-yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicarbonyl-iron complex) Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

13. Komputer-távközlés Hordozható eszközök Viselhető (Wear-on) Szórt (Ambience) intelligencia (intelligens autó, intelligens „homok”) Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma Akár biológiai is… Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia Hajlékony lemez alapú elektronika „Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma Világító dióda (LED), Organikus LED A kutatás „forró” területei - példák Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

14. A nanoelektronika gondjai • Az arányos kicsinyítés korlátai, új elemek: • Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, spintronika • A chipen optikai információtovábbítás a fémezés helyett – elkerülhetetlen • Optika: plazmonika? • Analóg vs digitális rendszerek • Szerintem a mai gyárakban is megvalósítható változat lehet csak nyerő – különben elkezdődik egy akár ocsmány verseny… Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

15. MFA- eredmények: grafén – az új „izgalom”(Biró László Péter kollégám csapata igen jókor bekapcsolódott) • Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly” Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA Nemes-Incze Péter 2010, MFA http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/ Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

16. A grafén alakítása - litográfia • Önszerveződően hatszöges szimmetria • Fontos, hogy ún. „karosszék” vagy „cikk-cakk” a határa: a karosszék esetén ui. félvezető, 0,5 eV tilos sávval… Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

17. Fél-kvantitatív gázérzékelés szén nanocsövekkel • Választott ‘demo’ anyagok/oldószerek: • víz, • aceton, • etilalkohol, • kloroform, • Triklóretilén • Tod Pascal, Caltech: a víz belefolyik a nanocsőbe – nanofluidika? A szén nanocső atomi felbontású képe; szerkezeti hiba kell, hogy „érzékeljen” Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

18. "Nanodrót" átvezetések, fantomkép ZnO nanokristályok – energiaforrás, „energy harvesting”, Volk J., MFA Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

19. (a) D3 (b) D2 (a) Csillók befogást végző Ni atomokkal (D2, D3) (b) Eloszlás flagelláris felületeken • Ua. 3D AFM nitrocellulózon Csillók képe üvegen Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

20. Megbízhatóság a nanoérában • Találkozik-e a mikro-nanoelektronikai és a biológiai „megbízhatóság” koncepció valahol középtájon, azaz pl. • milyen a „megbízhatósága” egy More-than-More eszköznek a „vírusé”-hoz hasonlítva? (Mert méretben hasonlóak, sőt, a vírus a nagyobb) • Elég-e ez a „megbízhatóság” egy emberi termékben realizálódó műveletsornak? • Bevihetjük-e a szervezetünkbe ezekkel a tulajdonságokkal? • E ponton változik át a nanotudomány nanotechnológiává • A gyógyszerek KF-je ad modellt a minősítés fő vonalának – de a „nano” méretek új standardokat is követelnek, ami a költségeket emeli… Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

21. 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 Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

22. Egy példa: a 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, de tárolhatóvá teszi. • Így a napelemmel, szélerőművel való összevetésnél a már tárolt energia (hidrogén, stb.) kinyerésével kell hasonlítani • Apókháló vs. kevlar: egyetlen fizikai paraméterben van különbség köztük, a lassú, ill. gyors deformáció munkájában. Ettől jó az egyik légyfogásra, ill. golyóálló mellénynek a másik. • Avan der Waals erőkszerepe – gekko . • A fotonikus kristályok a természeti „színekben”? Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

23. Metaanyagok (UC Berkeley) Credit: Image by Jie Yao, UC Berkeley (Credit: Image by Jason Valentine, UC Berkeley) Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

24. Nanomedicina • A legnagyobb elvárások területe • Oda és akkor adagolni az (egyéni!) gyógyszert, ami és ahol kell • Pl. a lipidbe zárás (kapszulázás) terjedése • Itt a mikro- (Micromechanical Systems, MEMS) és nanotechnológia együttese fontos szerepet kaphat. Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

25. „Nanosafety” • A gyártás és alkalmazás biztonsági, környezeti kérdéseinek tudománya. • A nanotechnológia nem-informatikai ágai jelentenek elsősorban veszélyt, egészségügyi kockázatot – kozmetikumok, festékek, stb. • Lejutottunk ui. abba a mérettartományba, amelynek számára • Nem csak a szűrőink alkalmatlanok, hanem • a sejtfalak, az ioncsatornák is átjárhatók… • Standardok kellenek. • Friss példa: a szén nanocsövek hatásának szimulálására a fekete tetoválási festék alkalmas standard (Saito, Nature)… Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

26. Kitekintés • Az életünket egyre jobban átszövi, birtokba veszi a „nano” • Fontos, hogy kellő biztonságot is jelentsen. • Az EU programjai irányt vettek a • Nanobiztonság, • Megbízhatóság, de főleg • A szabványosítás felé. • Reméljük, hogy kellő önmérséklet fogja kísérni a nanotechnológia alkalmazásait • De a nanotudománynak zöld utat kell kapnia • Körülvesznek bennünket a nanotudomány jelenségei… Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc

27. Jó lenne megérteni, milyen sejten belüli emelő mechanizmusok okozzák egy fiatal gyertyánhajtás felegyenesedését? Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc