A nanotudomány gondjai

1. A nanotudomány gondjai Gyulai József MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/ Trendek 2010

2. Buckminster Fuller:Operating Manual for Spaceship Earth- (1969) “…One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…„ …, hogy nem kaptunk hozzá Használati utasítást… Biosphere, Montreal, 1967 Biosphere, Montreal, 1967 Biosphere, Montreal, 1967 Trendek 2010

3. Az alapkérdés • A mai tudománynak egyetlen missziója van és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel az ön- és fajfenntartás ösztönének is: • megkeresni annak a módozatait, hogy élhet-e, ill. hogyan 7-10 G ember a Földön – úgy is, hogy a többi élőlény is megmaradjon?… • 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 … Trendek 2010

4. Ad 1. Tézisszerűen: • A teljes rendszert, a „túlszaporodott ember a természetben”-t kell vizsgálni, és úgy, hogy a lobbi-érdek lólába ne lógjon ki. • A Földet a „napmotor” hajtja ma is (a radioaktivitásos saját hő fontos, de kisebb mértékű), • a nagy csoda, hogy a felszíni egyensúlyi hőmérséklet évszázmilliók óta a jég olvadáspontja körül mozog. • A termelési-fogyasztási folyamatok zárt láncba kapcsolása • Ekkor azökológiai lábnyomszámítása,– jelentősen megváltozik: • ha ui. az alapanyagok kizárólagaz emberi termelésen-fogyasztáson belül forognak, akkor csak az átalakításaikhoz szükséges energetika okán terhelik a Földet és növelik meg az ökológiai lábnyomot… Trendek 2010

5. A ”Moore törvény” • A Fairchildból kivált Intel kezdeti sikerének „titka”: az anyacégnél kidolgozott technológiai higiéne. • Ezzel elsőként tudtak • egyetlen chipen külső feszültség nélkül nyitott (növekményes), ill. zárt (kiürítéses) tranzisztorpárt gyártani • kétévente kétszer annyi elem egyetlen chipen • „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta Gordon Moore. • Generikus törvény született, ami inkább üzleti, nem csak technológiai! • International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS: négy évenkénti tanulmány, kétévenként korrekció • Jelenleg 2024-ig vannak a táblázatok Trendek 2010

6. Kezdjük az elektronikával: a Moore ”törvény” • A mai csúcs az Intelnél – kisebb, mint egy vírus! • Az arányos kicsinyítés működik 2020-ig… • A szilíciumon ül egy átok: Nem lehet belőle lézert készíteni • De igyexik a szakma… • http://public.itrs.net/ Trendek 2010

7. A „More-Moore” és a „More-than- Moore” jövője • Én annyira becsülöm Gordon Moore-t, hogy remélem, ha már, mondjuk, biokomputereink lesznek, akad mérnök, aki elkészíti ennek is a helyettesítő kapcsolását – hogy hány kapu kellene hozzá? • Hiszem, hogy a kétévenkénti 1.6-szoros komplektálódás – ebben az értelemben – érvényben marad 2020 után is… Trendek 2010

8. Miniatürizálás • Nem csak kis méret, hordozhatóság, kis fogyasztás miatt fontos. • A megbízhatóságis fontos elem: minél több intelligenciát kell belezsúfolni a tokba, • A hibák főleg az emberrel való kommunikáláskor lépnek fel. • Elérhető 1010 lépésre egyetlen tévesztés, ami ún. redundáns szervezéssel növelhető • "Soft" (nem maradandó) hiba Trendek 2010

9. Komputer-távközlés Hordozható eszközök Viselhető (Wear-on) Szórt (Ambience) intelligencia (inter car, intelligens „homok”) Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma Akár biológia is… Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia „Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma Világító dióda (LED), Organikus LED A kutatás „forró” területei - példák Trendek 2010

10. A nanoelektronika gondjai • Scale down korlátai, új elemek: • Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, ~tronika • A chipen optika 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… Trendek 2010

11. Kvantumkomputer – spintronika(Courtesy of D. Jamieson, Melbourne) Trendek 2010

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) Trendek 2010

13. Grafén – az új „izgalom” • Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly” Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/ Trendek 2010

14. Trendek • A mai nanotechnológia még inkább nanotudomány, a termékké válás kritériumait teljesítenie kell • Nanoelektronika: Moore, ameddig csak lehet, • post-Moore megoldások: • optika • spintronika, • plazmonika, • Biomimetikus rendszerek • Rendszerek, elemei • Szenzorika-beavatkozók „forradalma” • Ambience intelligence • Energy harvesting rendszerek • Bioelektronika • A 100nm nódus tanulsága: 10-15 év: mi van a laborban készen? • A kémiai, orvosi, ill. metallurgiai Nanotechnológia külön ág, ami azonban itt-ott összeér Trendek 2010

15. A mikroelektronika-közeli Nobel díjak J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley, tranzisztor (1956) L. Esaki, I. Giaever, B.D. Josephson, alagúthatás alkalmazásai (1973) K. von Klitzing, kvantum Hall-effektus is tranzisztor (1985) E. Ruska elektronmikroszkóp, G. Binnig, H. Rohrer alagútmikroszkóp (1986) Z.I. Alferov, félvezető lézer, H. Kroemer, UHF tranzisztor, optika, J. S. Kilby, Integrált áramkör (2000) W.S. Boyle és G.E. Smith, CCD szerkezet, optika, (Charles K. Kao, optikai szál) A. Geim és K. Novoselova grafénen, mint kétdimenziós anyagon végzett alapvető kísérletekért Geim 2000-ben megkapta az IgNobel díjat is IgNobel – paródia - „first make people laugh, then make them think”: diamagnetic levitation 1T- 10T elegendő az élő szervezetek levitációjának előidézéséhez Trendek 2010

16. A nanotechnológia nem-informatikai ágai • A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika • Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio-rendszerek • Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok • Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódolás-kiválogatódás ottani elveit megkeresni • Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá… Trendek 2010

17. A „megbízhatóság” eltérő fogalmai • A mérnöki, ezen belül az elektronikáé – tévesztés/műveletszám, „MTBF” • A kémiáé, ezen belül a gyógyszerkémiáé – tolerálható szennyezések • Az élőlényeké – stresszhelyzetek túlélése, a faj fennmaradása Trendek 2010

18. Megbízhatóság • A mikro-, nanoelektronikában a komplexitás növekedésével egyre inkább modellekre hagyatkozunk, akár sztochasztikus, káosz (?) modelleket kidolgozva számszerűsítjük megbízhatóságot • A biorendszereknek a redundanciája jelent egy, de másfajta megbízhatóságot. • Találkozik-e ez a két koncepció valahol középtájon, azaz a 2020-as More-than-More eszközé és egy vírusé? (Mert méretben hasonlóak, sőt, a vírus a nagyobb) • Elég-e a vírus „megbízhatósága” (amelyben a driving force-ot az ön- és fajfenntartás fogalmával antropomorfizálunk) – egy emberi termékben realizálódó művelethez? Trendek 2010

19. Mikroelektronika ≈100% kihozatal! Funkcionális teszt, 1010 lépés egyetlen hibára Redundancia Nanotech – kémiai, biomedikus Ipari kontroll is ilyen, kémiai analízis (kromatográfia, stb.) Gyógyszer standardok – erős, de más, mint a mikroelektronikai, Pl. szennyezés tolerancia Kérdések? TQM modelek(Total Quality Management) Trendek 2010

20. Kétségeim – I • A miniatürizálás megnöveli a megbízhatóságot, mert a chipbe beépített intelligencia nem, vagy csak ritkán téved • a tönkremenetel ui. csak nemkívánatos atomi mozgásokból eredhet (magas hőmérséklet) • De • pl. ionizáló részecske-becsapódás • "Soft error" vagy "Single Event Upset, SEU", mert nem destruktív hiba… • védekezés: redundancia, ismétléses kontroll Trendek 2010

21. Kétségeim – II • Az emberiség termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik – milyen lesz a nanogyár? • Minőségellenőrzés • Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, • A biorendszerek "minőségellenőrzése"az evolúció: • a ön-reprodukció, • a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), • a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén • A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva • Lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? • A mai, pl. gyógyszergyártási minőségellenőrzése nem lehet elég pl. a kvantumkomputer "gyártásához": • nem maradhatnak inaktív, nem szenzibilizált molekulák, • térben szervezetten kell létrejönniük (megtalálható – címezhető) Trendek 2010

22. Kétségeim– III • A biorendszerben ugyanez már nagy baj: • ha az immunrendszernek nem sikerül közbelépnie, carcinogenezis • Bioban a redundancia óriási foka • miatt jön létre valamiféle "megbízhatóság"-gal analóg folyamat, pl. az agy plaszticitása… • de ez, pl. a repülőgépünk vezérlőegységében aligha megnyugtató… • A "nanogyár"-ban vajon minimálhatjuk-e a zaj (káosz) hatását, pláne, szobahőmérsékleten? • Mi lesz a "laissez passer"-vel? • Ez jelentősen korlátozhatja a nem-direkt biológiai-orvosi nanotermékek körét. Trendek 2010

23. Gondolkodásmódváltozás elé - a kémiában • Példa: kémiai katalízis • a katalizátor atom, a telítetlen d-, f-héjával – szerintem – olyan atomi méretű „labor” a maga gyorsan változó elektromos-mágneses terével, amelybe a bekerülő (oda vonzott?) atomok/molekulák elektronkötései fellazulnak, (más) vegyületbe lépnek • palládium-, platina-atom, stb. atomi méretű laboratórium Trendek 2010

24. Biomimetikus rendszerek • A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, mint az akkori-mai biológiára • 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... Trendek 2010

25. A biológia nyújtotta lehetőségek – mint a scifi… • A sejten belüli molekuláris „gépek” felhasználása • a (kontroverz) génmódosítás, mára 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 Trendek 2010

26. „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)… Trendek 2010

27. 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… Trendek 2010