Kaip sukurti pačios aukščiausios kokybės daiktus? Prieš 60 metų išsakyta fiziko svajonė ir atominis Legolendas

„Kodėl negalime užrašyti visų 24 Encyclopaedia Britannica tomų ant smeigtuko galvutės?“ Kai garsusis fizikas Richardas Feynmanas iškėlė tokį klausimą garsiojoje savo kalboje 1959 metų gruodį, jis neieškojo būdo patogiai nešioti iliustruotas nuorodas. Jis atkreipė dėmesį į itin mažų daiktų manipuliavimo problemą.

Plėtodamas temą, Feynmanas drįso įsivaizduoti, kad vieną dieną galėtume statyti iš tų pačių statybinių blokų, iš kurių sudaryta visa žinoma materija visatoje. „Nebijau kelti galutinio klausimo, ar – didingoje ateityje – galėsime sutvarkyti atomus kaip tinkami; pačius atomus, po vieną!“

Šioje atominio Legolendo vizijoje galime sukurti visokiausius nuostabius dalykus. Galėtume sukurti silicio įpėdinį, medžiagą, kurią naudodami, galėtume vis daugiau kompiuterinės galios sutalpinti vis mažesniuose įrenginiuose. Galėtume sukurti medžiagą, kuri sustiprintų saulės elementus ar pagaminti tobuliausią bateriją, kurioje galėtume kaupti visą švarią energiją. Netgi galėtume vykdyti chemines reakcijas, kurios dabar neįmanomos (žr. „Efemeriškoji chemija “).

Šios vizijos įgyvendinimui trukdo neišpasakytas atomų mažumas – daugiau nei milijonas geležies atomų telpa smeigtuko galvutėje. Tačiau dabar šlifuoto plieno steampunkiškų mašinų viduje pradėjome neregėtu tikslumu stumdyti tūkstančius atskirų atomų. Dabar tereikia išsiaiškinti, kur juos reikia sudėti.

Didžiąją dalį žmonijos istorijos daiktus gaminome iš to, ką davė gamta. Tada išmokome tas dovanas patobulinti, į metalus pridėdami šiek tiek kitų elementų ir taip sukurdami tokius lydinius kaip plienas – medžiagas, iš kurių pasigaminome viską, nuo stalo įrankių iki virtuvės kriauklių ir reaktyvinių variklių. Netgi įsigudrinome sukurti medžiagas, kurios gali kontroliuoti elektronų tekėjimą, ir iš jų pagaminti mikrolustus, suteikiančius galią išmaniesiems telefonams ir kompiuteriams.

Bet iš esmės, vis dar esame apriboti tuo, ką galime iškasti iš žemės – ir tai mus riboja. Pavyzdžiui, kad ir kaip suderiname turimus ingredientus, niekaip negalime perkąsti nebrangių termoelektrinių elementų – kuriais galėtume panaudoti tuščiai švaistomą šilumą – recepto. Komercinių fotovoltinių elementų efektyvumas geriausiu atveju siekia 20 procentų. Elektromobilių motoruose naudojamų magnetų gamybai naudojami elementai, kurių tiekimas jokiu būdu nėra užtikrintas. O kad baterijoms tobulėti dar yra kur, paliudys bet kas, kurio telefonas išleido kvapą kritiškai svarbiu momentu.

Norint sukurti trokštamomis savybėmis pasižyminčius dalykus, naujas medžiagas turime kurti nuo pat pagrindų – ir tai reiškia kūrimą iš atomų, apie ką Feynmanas ir svajojo prieš beveik 60 metų.

Atomo siučiupimas

Jis dar matė „didžios ateities“ pradžią, kai devintojo dešimtmečio pradžioje Heinrichas Rohreris ir Gerdas Binnigas IBM Ciuricho tyrimų laboratorijoje Šveicarijoje išrado naujo tipo mikroskopą. Jame panaudotas keistasis kvantinės mechanikos fenomenas, vadinamasis tuneliavimas, kai dalelės atlieka klasikinės fizikos požiūriu neįmanomus dalykus. Rohreris ir Binningas pastebėjo, kad patalpinus metalinį stilių per atomo storį nuo bandinio ir sukūrus įtampą, elektronai tuneliuoja per tarpą. Taip sukuriama tuneliavimo srovė, kuri eksponentiškai kinta, kintant tarpui. Registruojant srovę, atsirandančią stiliumi pamažu vedžiojant bandinio paviršiumi, galima išmatuoti visą paviršių, po vieną atomą.

Skenuojanti tunelinė mikroskopija pirmą kartą parodė mums atomus, atverdama labai mažų objektų pasaulį. Bet pamatymas – tik pati pradžia.

Greitai paaiškėjo, kad mikroskopai gali ir paimti atomus ir juos perkelti. Pakankamai žemai nuleidus stiliaus galiuką, trumpo atstumo elektrostatinės jėgos, vadinamosios van der Waalso jėgos, pagriebia po apačia esantį atomą, o tai reiškia, kad galima jį nutempti, judinant smaigalį paviršiumi. Pakėlus smaigalį, atomas sustoja naujoje pozicijoje.

1989 metais IBM Research tyrėjai Almaden Kalifornijoje stumdydami 35 ksenono atomus ant nikelio paviršiaus, sukūrė mažiausią pasaulyje logotipą. Tai buvo įspūdinga demonstracija, bet dar toli gražu nuo manipuliavimo daugybe tūkstančių atomų, ko mums reikia, norint kurti naujas medžiagas.

Tai liko tik svajone iki pernai metų, kai Sanderis Otte iš Delft technikos universiteto Olandijoje su kolegomis parodė kad gali geriau, 59 965 geriau, jeigu tiksliai. Pastebėję, kad chloro jonus lengva stumdyti variniu paviršiumi, jie parašė 60 000 atomų skenavimo ir stumdymo automatizavimo algoritmą. Taip buvo gautas atminties įrenginys, duomenis saugantis išdėliotais chloro atomais. Padidinus tokią struktūrą iki 1 cm², jų 1 kilobaito perrašomame luste galėtų tilpti ~10 terabaitų duomenų, skaičiaus eilėmis daugiau, nei geriausi dabarties lustai.

Kas dar svarbiau, Otte pasiekimas įrodo, kad stovime ant gebėjimų manipuliuoti atomais kaip tinkami slenksčio. „Gebėjimas judinti atomus reiškia, kad galime pradėti kurti kokias tik norime medžiagas, neapsiribodami vien gamtos teikiamomis,“ sako Otte.

„Stovime ant galimybės manipuliuoti atomais kaip tik norime, slenksčio“

Jis žino, kad tai bus gigantiška užduotis. Viena iš didžiausių problemų – norint gauti vieną gramą medžiagos, reikėtų sudėlioti ~10²³ atomų. Juos sutampyti po vieną į vietą, sluoksnį po sluoksnio, mikroskopu, truktų amžinybę. Taigi, kol išmoksime atomus judinti efektyviau, turėtume susitelkti į tas sritis, kur ir kelių atomų pajudinimas yra svarbus, sako Otte.

Tarkime, mikrolustai telefone. Kiekviename yra milijardai tranzistorių, veikiančių kaip jungtukai, išjungiantys ir įjungiantys elektros srovę. Dabar tranzistoriai tokie maži, kad srovė gali nutekėti netgi tada, kai jie išjungti, taip švaistoma energija, lustas kaista ir nebegali veikti didžiausia sparta. Pakeitus saujelę kiekvieno tranzistoriaus veikimą užtikrinančių atomų, sustotų elektros nuotekis, pagerėtų viso prietaiso našumas. Iš tiesų, tai tikriausiai būtina, jei norima laikytis mažėjančių tranzistorių Moore’o dėsnio.

Konkrečiai šiai sričiai skenuojanti tuneliavimo mikroskopija tikriausiai nebūtų tinkamiausias pasirinkimas, nes taip galima manipuliuoti tik paviršiuje esančiais atomais. Tai netrukdo, kuriant medžiagą iš pat pradžių, bet pasiekti puslaidininkio gabalo vidų ir stumdyti ten atomus nepavyktų. Čia galėtų sužibėti nauja technologija, skenuojanti transmisinė elektroninė mikroskopija. Jame atomo storio elektronų spinduliu peršviečiant medžiagą, tiriama vidinė jos struktūra – bet kartais tas spindulys stumteli po vieną atomą. Dabar kelios mokslininkų komandos ieško būdų, kaip panaudoti šį efektą medžiagų sukūrimui atominiu tikslumu.

Bet net jeigu jiems tai pavyktų, yra dar labiau nerimą kelianti problema: neturime supratimo, kur tuos judinamus atomus dėti. Kuriant apibrėžtų savybių medžiagą, negalima tiesiog atsitiktinai sudėlioti atomus ir tikėtis geriausio. Bandymų ir klaidų metodui nėra laiko. Reikia kažkaip atlikti naujų medžiagų simuliacijas, ir būtent tai stengiasi atlikti Stefano Curtarolo iš Duke universiteto Medžiagų genomikos centro Durhame, Šiaurė Karolinoje.

Curtarolo sukūrė greitą norimo atomų išdėstymo cheminio stabilumo ir fizinių savybių patikrinimo metodą, kuriuo galima greitai įvertinti vieną kombinaciją po kitos, neužsukant į chemijos laboratoriją. Toks būdas jau sulaukė šiokios tokios sėkmės. Šiais metais jo kolegos sukūrė dvi medžiagas, kurias Curtarolo kompiuteriai pažymėjo kaip potencialius magnetus – ir jos išties buvo magnetinės. Tai buvo pirmas kartas, kai kompiuteriniu modeliavimu buvo numatytas naujos medžiagos magnetizmas. Kiti tyrėjai tokiu būdu ieško geresnių medžiagų baterijoms ar geriausių saulės elementų receptų.