Mokslo ir technologijų pasaulis

„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.

---

---

---

Bet netgi Curtarolo kol kas negali vykdyti simuliacijų po vieną atomą. Naujieji jo magnetai buvo mišiniai iš trijų medžiagų, kurių atomai sudaro išsidėstę tvarkingą, pasikartojančią struktūrą – tokias problemas kompiuteriams spręsti daug lengviau. Medžiagos, surinktos po vieną atomą, savybių prognozavimui reikia neišpasakytai daug skaičiavimo galios, kurios dabar paprasčiausiai neturime.

Tad Feynmano svajonei lemta likti tik svajone? Ne visai. Nes, pasirodo, tais pačiais atomus stumdančiais mechanizmais galima sukurti įtaisus, atliekančius intensyvias simuliacijos užduotis, būtinas, ieškant tinkamo atomų išdėstymo.

„Medžiagos, surinktos po vieną atomą, savybių prognozavimui reikia neišpasakytai daug skaičiavimo galios, kurios dabar paprasčiausiai neturime.“

Mums reikia kvantinio kompiuterio – įrenginio, keistas kvantų mechanikos savybes išnaudojančio pasiekti tokias skaičiavimo galios viršūnes, apie kokias klasikiniai kompiuteriai gali tik svajoti. Pati koncepcija gan paprasta. Įprastuose kompiuteriuose tranzistorius gali būti vienos iš dviejų būsenų – įjungtas arba išjungtas. Be kvantinė savybė, pavyzdžiui, kvantinio bito – kubito – sukinys, gali būti į viršų, į apačią, arba abiejų šių savybių superpozicija. Panaudojus tokią ypatybę skaičiavimams, įrenginys tuo pačiu metu gali suskaičiuoti daug įmanomų problemos sprendinių. Sujungus du kubitus, sistema gali būti keturių būsenų tuo pat metu. Sujungus tris, būsenos bus jau aštuonios. Skaičiavimo galia auga eksponentiškai.

Sujungus, tarkime 300 kubitų, gautos sistemos skaičiavimo galia viršys visų pasaulio kompiuterių bendrą skaičiavimo galią. Sprendžiant tam tikras problemas, – paskutinėje vietoje ir daugybės atomų sąveikos, kuriant tam tikrų savybių medžiagas, simuliavimas, – tokia galia pakeistų žaidimo taisykles. „Kvantinis kompiuteris reikštų galimų atlikti simuliacijų kvantinį šuolį“ sako Curtarolo.

Tik bėda, kad praktiško kvantinio kompiuterio dar neturime, ir ne todėl, kad nebūtų besistengiančių. Google kuria įrenginį, kuriame aliuminio grandynai atšaldomi iki superlaidumo temperatūros, o Microsoft nori panaudoti „topologinius kubitus“ – ant 2D paviršiaus išdėstytos kvazidalelės, kurios nelabai sunkiai išlaikytų reikiamą kvantinę būseną.

Michelle Simmons ir jos komanda Naujojo Pietų Velso universitete Australijoje, stato už atomų stumdymo galią. Jie skenuojančiais elektroniniais mikroskopais rūpestingai dėlioja atskirus fosforo atomus ant silicio – kiekvienas fosforo atomas sudaro vieną kubitą.

Toks būdas jiems atrodo tinkamesnis, nes kompiuterių lustų pramonė jau gerai pažįsta silicį. „Manome, bus daug lengviau pagaminti visavertį procesoriaus lustą, nei bet kurį kitą pažangų dizainą, paremtą labiau egzotiškomis technologijomis,“ sako komandos narys Andrew Dzurak. Galbūt jie teisūs, tačiau pirmiausiai privalo įrodyti, kad geba tai atlikti.

„Kai pasiūlėme tai 2000 metais, daugelis nemanė, kad įmanoma kontroliuoti pasaulį tokiu lygiu – tiesiog nebuvo technologijų,“ sako Simmons. Taigi, teko jas išrasti. Pirmoji problema buvo lipni. Fosforas jungtis su siliciu tokia stipri, kad skenuojančiu tuneliuojančiu mikroskopu fosforo atomų stumdyti ant silicio paviršiaus nepavyko. Tad, mokslininkai sukosi iš padėties: jie padengė silicį nelimpančiu vandenilio sluoksniu, o tada mikroskopu išpešiojo vandenilio atomus, dengiančius vietas, kur norėjo padėti fosforo atomą. Toks būdas veikė idealiai.

2012 metais, įveikusi dar kelias inžinerines problemas, Simmons su kolegomis pademonstravo veikiantį tranzistorių, pagamintą iš vienintelio fosforo atomo silicio grandinėje. Po trijų metų jie pademonstravo dviejų kubitų sistemą iš dviejų kubitų, sukurtų iš dviejų fosforo atomų sujungtų taip, kad suformuotų loginius vartus. Dabar jie turi paskirtą finansavimą sukurti 10 kubitų įrenginį per 5 metus.

„Sprendimas yra prietaisas, galintis gaminti daugybę stebuklingų medžiagų receptų“

Galiausiai planuojama sukurti 1024 kubitų kvantinį kompiuterį. Kaip parodė Otte nanometrinis atminties lustas, esant palankiam vėjui įmanoma stumdyti dešimtis tūkstančių atskirų atomų, tad Simmons turėtų pavykti. Įvaldžius manipuliavimą atskirais atomais, dabar jai kilo iššūkis sukurti veikiančiam kvantiniam kompiuteriui būtinus grandynus.

Bet netgi kai turėsime kvantinius kompiuterius, beriančius stebuklingų medžiagų receptus kaip pupas, Otte, Curtarolo ir bet kam, norinčiam dėlioti atomus, liks paskutinis iššūkis: mastas. Atrodytų, išmintinga strategija būtų naudoti skenuojančius mikroskopus su daug lygiagrečiai dirbančių smaigalių. Bet praktiškai, dėl to paties jautrumo, leidžiančio stiliaus smaigaliu manipuliuoti vienu atomu, jie tampa pernelyg pažeidžiami vibracijų. „Yra aparatų, turinčių keturis zondus, bet jį naudoti keturis kartus sudėtingiau, nei vieno zondo mašiną,“ sako Otte. „padidinti tai 1000 kartų būtų neįtikėtinai sunku.“

Vėlgi, skenuojantys mikroskopai niekada nebuvo kuriami pramoninei gamybai. „Manau, tereikia, kad apie tai imtų galvoti žmonės, kurių patirtis ir filosofija kitokia,“ svarsto Otte. „Manau, galima sugalvoti naujų idėjų.“

Efemeriškoji chemija

Lašelis šio, 3 gramai ano; pamaišykite ir žiūrėkite, kaip burbuliuoja. Lig šiol chemija priminė kulinariją, ieškančią tinkamo norimos medžiagos gavimo recepto.

Leo Gross ir jo kolegos iš IBM Research Ciuriche yra labiau chirurgiško būdo pirmeiviai. Naudodamas atomus galintį stumdyti mikroskopą, Grossas sukelia reakcijas, pašalindamas iš molekulių po atomą.

Skenuojantys tuneliavimo mikroskopai veikia labai žemoje temperatūroje, tad juos galima panaudoti labai reaktyvių molekulių gavimui ir tyrimui, sako Grossas. Tai galėtų padėti mums ištobulinti katalitinę polimerų, vaistų ir kitų kasdien naudojamų molekulių gamybą. O tikriausiai dar svarbiau, kad „galime pradėti kurti tokias molekules, kurių neįmanoma pagaminti jokiais kitais būdais,“ pažymėjo Grossas.

Ir jis tai jau atlieka. Chemikai daugiau nei 60 metų nesėkmingai bandė pagaminti egzotiškąją trianguleno molekulę, plokščią anglies atomų grupelę, primenančią mažą trikampį grafeno gabaliuką. Šiais metais Grossui su savo komanda pagaliau pavyko (žr. pav. viršuje), skenuojančiu tuneliniu mikroskopu iš prekursoriaus molekulės selektyviai iškrapščius porą vandenilio atomų.

Nors trianguleno elektroninės savybės įdomios, tiesioginio panaudojimo jis kol kas neturi. Bet jo sukūrimas gali turėti svarbias implikacijas visai chemijai.

„Po daugybės dešimtmečių atkaklių tyrimų, tikimybė rasti naujas svarbias reakcijas yra gan ribota,“ sako Diego Peña, Santiago de Compostela universiteto Ispanijoje chemikas, bendradarbiavęs su IBM komanda. Panašu, su atomine chirurgija pradėjome atrasti jas ir vėl.