Nanotechnologie: tisíckrát menší než lidský vlas

Nanotechnologie je technický obor, který se zabývá využíváním technologií v měřítku řádově nanometrů. Pro vaši představu se jedná o velikost tisíciny tloušťky lidského vlasu. Část této technologie je zatím pouze v rovině spisovatelů sci-fi. Například se předpokládá, že bude možné léčit až na úrovni lidských buněk, což zařídí lehce odbouratelné nanoobaly. My ovšem zůstaneme jednou nohou na zemi a podíváme se, jak tuto technologii vyvíjí firma IBM.

V oblasti nanotechnologií se udála řada významných objevů nebo změn. V tomto článku jsme se pro větší přehlednost zaměřili na jednoho z významných hráčů – společnost IBM. Ta je známá jako poskytovatel různých IT řešení a služeb a výrobce serverů, a tak se nelze divit, že se zajímá o nanotechnologie. Co nás tedy čeká? Díky nedávno oznámeným novinkám se můžeme těšit na supervýkonné počítače o miniaturních rozměrech.

Komponenty těchto zařízení budou totiž sestaveny z několika atomů a molekul, což přináší velké množství výhod. Již nyní se běžně mluví o výrobních procesech v řádech desítek nanometrů, současné procesory jsou běžně vyráběny pomocí 65nm technologie. U procesorů se nyní chystá přechod na 45nm. IBM předpovídá rozměry menší než 2nm. Pokud si to nedovedete představit, možná vám pomůže informace, že jde o 50000x menší šířku, než má lidský vlas.

Určitě si někdo z vás říká, že o nanotechnologiích se už mluví dlouho a hodně, jenže výsledky žádné. Výsledků je poměrně dost, ale na využití v praxi budeme muset ještě nějaký ten rok počkat. Pojďme se nejdříve podívat, jak to vůbec začalo, a po té na to, co nás může v budoucnosti potkat.

Přehled významných objevů

• 1981 – V tomto roce byl vynalezen řádkovací tunelový mikroskop (Scanning Tunneling Microscope), který umožnil první kroky do nanosvěta. S tímto mikroskopem lze pozorovat jednotlivé atomy a molekuly na elektricky vodivém podkladu.
• 1986 – Mikroskop atomárních sil (Atomic Force Microscope) je dalším vynálezem IBM ve spolupráci s vědci ze Stanfordské univerzity. Tento mikroskop už není omezen na vodivé materiály, takže lze zkoumat jakékoliv materiály.
• 1986 – Vědci Gerd Binnig a Heinrich Rohrer získávají Nobelovu cenu za fyziku. Toto významné ocenění získali za první zmiňovaný vynález, tedy Scanning Tunneling Microscope (STM).
• 1988 – V laboratořích IBM bylo pozorováno uvolňování fotonů. To bylo prováděno na ploše o velikosti několika nanometrů, která byla stimulována STM. Díky tomu bylo možné studovat v nanoměřítku jevy jako luminiscence a fluorescence.
• 1989 – Don Eigler je prvním, kdo dokázal ovládat jednotlivé atomy. Použil STM k zobrazení nápisu IBM, který poskládal z 35 atomů xenonu na niklové podložce, čímž mimo jiné vytvořil nejmenší firemní logo na světě.
• 1991 – IBM představuje přepínač složený z atomů, toto je významný milník v oblasti designu elektronických zařízení.
• 1993 – Vědci v IBM a NEC nezávisle na sobě objevují nanotrubičky uhlíku a metody, jak z nich vytvářet kovový katalyzátor.
• 1996 – Rozšíření polohovací techniky STM pro sledování jednotlivých molekul při pokojové teplotě.
• 1996 – Nejmenší počítadlo na světě bylo vytvořeno z 10 atomů, což byl další milník v oblasti nanotechnologie.
• 1998 – Vědci IBM a partneři objevují molekulový kruh, který jim dal naději pro vytváření mechanických kol a motorů v nanoměřítku.
• 2000 – IBM a univerzitní výzkumnicí vytvořili nanomechanický senzor využívající velmi tenké křemíkové plátky. Využití lze nalézt například pro identifikaci biomechanických látek či rozpoznání konkrétního vzorku DNA.
• 2001 – Metoda „constructive destruction“ překonává hlavní překážku pro stavbu miniaturních počítačových čipů z křemíku, společně s metodou k oddělení polovodičových a kovových nanotrubiček lze vytvářet funkční tranzistory v nanoměřítku.
• 2001 – Poprvé na světě byl odhalen jednomolekulový počítačový obvod. Tranzistor z uhlíkových nanotrubiček byl použit pro výrobu integrovaného logického obvodu, což je významný krok k molekulovým počítačům.
• 2002 – Vytvořen nejmenší funkční počítačový obvod na světě. Byl vytvořen z molekulové kaskády, ve které se molekuly pohybovaly podobně jako v padajícímu dominu.
• 2003 – Vědci z IBM a univerzit v Columbii a New Orleans demonstrovali magnetický a polovodičový materiál pro stavbu trojrozměrných součástek. Metoda modulárního sestavování umožňuje vědcům kombinovat jakékoliv materiály.
• 2003 – Demonstrace nejmenšího světelného emitoru v pevném stavu na světě, to naznačuje možné použití nanotrubiček pro optoelektroniku.
• 2004 – Vytváření nové techniky nazvané “spin-flip spectroscopy”, která slouží pro studium vlastností magnetických struktur v atomovém měřítku. Tato technika byla použita pro měření fundamentálních magnetických vlastností jediného atomu.
• 2004 – Lze změřit magnetickou sílu z jediného elektronového spinu pomocí ultra citlivého mikroskopu s magnetickou rezonancí. To ukazuje velký potenciál pro rozšíření citlivosti magnetické rezonance (MRI).
• 2004 – Regulace a manipulace s nábojem jednotlivých atomů. Tato schopnost přidávat či odebírat nabité elektrony do/z jednoho atomu může pomoci rozvoji atomového výzkumu.
• 2005 – Vytvořeno tenké zařízení, které umožní snížit rychlost světla. To je velká výhoda pro použití světla jako náhražky za elektřinu ve spojích mezi elektronickými součástkami. Díky tomu lze zvýšit výkon počítačů a dalších elektronických systémů.
• 2006 – První kompletně elektronický integrovaný obvod okolo jedné molekuly uhlíkového nanovlákna. Nový materiál má velký potenciál na splnění slibu vyššího výkonu, než je tomu u současných křemíkových polovodičů.
• 2006 – Vyvinuta nová technika pro zkoumání a kontrolu atomového magnetismu. Tento objev není důležitý pouze pro budoucí počítačové obvody a úložná zařízení – využití může nalézt i v oblasti objevování nových materiálů.
• 2006 – Při studiu základů molekulární elektroniky byl objasněn kvantový mechanický efekt připojování zlatých atomů k molekule. Práce demonstrovala fakt, že není možné ovládat pouze spoje kovových molekul, ale že je také možné spojovat sílu a náboj orbitalů v místě dotyku.
• 2007 – Poprvé na světě byla uvedena výrobní aplikace „self assembly“ k vytvoření vakua (dokonalého izolátoru) okolo nanodrátků pro použití v příští generaci mikroprocesorů.
• 2007 – Vyvinuta výkonná technika magnetické rezonance (MRI) k vizualizaci nanoobjektů. Toto je významný krok pro vytvoření mikroskopu, který bude snímat atomovou strukturu ve třech rozměrech.

Jak je vidět, novinky stále rychleji přibývají a jelikož se blíží reálnému využití, jsou o to zajímavější. Proto budou poslední čtyři novinky rozepsány trochu podrobněji.

Magnetická anizotropie

Tato novinka má významný vliv na oblast ukládání dat. Objev popisuje schopnost atomů udržovat informace pomocí magnetické anizotropie. Doposud totiž nikdo nedokázal změřit magnetickou anizotropii jednotlivých atomů, ale nyní je to možné. Díky tomu může obsahovat každý atom či shluk atomů jednotku informace, tedy hodnotu 0 či 1. Zprávy hovoří o významné miniaturizaci úložných zařízení a nárůstu kapacity. Pro reálnou představu vědci mluví o zařízení velikosti kapesního přehrávače iPod, které pojme všechny videosoubory umístěné na serveru YouTube či 30 000 celovečerních filmů. Mluví se tedy o kapacitě asi 1 000 trilionů bitů.

Jednomolekulový přepínač

Dalším milníkem v miniaturizaci by se měl stát přepínač složený z jedné molekuly. Dodnes byl problém, aby molekula zůstala při přepnutí neporušena. Nyní se to výzkumnému středisku IBM povedlo a přepínač dokáže pracovat plynule, aniž by rušil rámec molekuly. Dále bylo demonstrováno, že lze využít atomy jedné molekuly k přepnutí atomů v molekule sousední na bázi běžného logického argumentu. Opět to vede k významné miniaturizaci, která nalezne uplatnění v počítačových čipech, pamětech atd.

Tisk nanosoučástek

I zde se jedná o velmi zajímavou novinku, díky které by měla být výroba budoucích čipů efektivní a přesná. Princip je stejný jako u metody tisku z hloubky. Při tisku s nanosoučástkami lze dosáhnout rozlišení až 100 000 dpi. Již nyní se vědcům podařilo tuto technologii využít pro tisk částic o velikosti 60nm, což je přibližně 100x méně, než jsou rozměry červené krvinky. Možnosti využití jsou velmi široké, tato technologie může urychlit vývoj miniaturních biosenzorů, ultratenkých čoček v budoucích optických čipech a výrobu nanodrátků. Uplatnění lze nalézt nejen v IT sektoru, ale například i v oblasti biomedicíny.

Měření vlastností uhlíkových nanotrubiček

Posledním objevem společnosti IBM v oblasti nanotechnologií je metoda měření vodivosti uhlíkových trubiček. Doposud nebylo možné změřit proud protékající touto trubičku, nyní vědci přišli na bezkontaktní řešení. Měření probíhá pomocí světla o určité vlnové délce, které je vysíláno na nanotrubičku, od té se následně odráží s jinou vlnovou délkou. Podle rozdílu ve vlnových délkách lze stanovit proud elektronů; tento jev vychází z Ramanova efektu. Pomocí fononů lze měnit tepelnou a elektrickou vodivost. Výroba nanotrubiček je velmi závislá na okolním prostředí. Jakákoliv změna znamená jiné vlastnosti nanotrubiček. Nyní už mají vědci metodu, jak tyto změny měřit, a mohou tedy hledat způsob, jak vyrábět nanotrubičky potřebných parametrů.

Co nás tedy čeká? S nástupem nanotechnologií do praxe můžeme očekávat velmi výkonná zařízení s nižší spotřebou a menšími rozměry. To jistě většina uživatelů uvítá. Třeba nastane i doba, kdy stolní počítače plně nahradí jejich přenosní kolegové. V případě, že vše vyjde podle očekávání, se jistě najde mnoho společností, které budou mít o tyto technologie zájem. Těžko říct, kde všude se s tímto fenoménem setkáme, ale pouze u IT to nebude.

Související

IBM staví čipy nové generace
IBM vyvinulo novou technologii pro procesory
Titulek odkazu

Zdroje

IBM Unveils Two Major Nanotechnology Breakthroughs as Building Blocks for Atomic Structures and Devices
IBM Marks More Than Two Decades of Nanotechnology Leadership
IBM Researchers Bring Printing to the Nanoscale with New Fabrication Technique
IBM Scientists Create Method to Measure the Performance of Carbon Nanotubes as Building Blocks for Ultra Tiny Computer Chips of the Future
IBM představila dva zásadní objevy v oblasti nanotechnologií, které budou moci být využity při výstavbě atomových struktur a zařízení pracujících s atomy