Nanobillard har fremtiden for sig

Forskere verden over er i gang med at forfine deres metoder til at skubbe enkelte atomer rundt ved hjælp af nanoteknologi

Af Robin Engelhardt

Den dag, forskere får fuldstændig kontrol over de enkelte atomer, lærer at bevæge dem, sætte dem fast, og arrangere dem i en vilkårlig orden, den dag vil ganske sikkert være starten til endnu en industriel revolution. Men der er dog stadig et stykke vej. En grund til dette er, at udviklingen af den nye nanoteknologi kræver værktøjer, som er næsten lige så små som atomerne selv, og hvordan bygge nanoredskaber uden at have den nødvendige nanoteknologi? Eneste løsning på dette evindelige hønen-og-ægget- problem er at starte med nogle nødtørftige og rudimentære metoder og efterhånden arbejde sig ind på de mere forfinede af slagsen.

Godt på vej
Mange forskergrupper rundt omkring i verden, blandt andre også den danske CAMP-gruppe ved DTU, er godt på vej til at løfte nanoteknologien ud af dens stenalder. I en artikel fra det aktuelle nummer af fagbladet Nature beretter John Pethica og hans kolleger fra Oxford University i England om en metode til at bevæge individuelle brom-atomer rundt oven på en overflade af kobber. Og det kan lade sig gøre ved stuetemperatur, hvilket er en stor bedrift. Det anvendte redskab er en særdeles fintfølende nålespids på et såkaldt »Scanning Tunneling Microscope« (STM), som man især bruger til analyse af metaloverflader. Det viser sig, at man med nogen møje kan bruge nålespidsen til at binde de enkelte atomer, bevæge dem, og placere dem vilkårlige steder på overfladen.

Tunnel-effekten
STM-teknikken har været kendt siden 1981 (med en kvittering i form af en Nobelpris til fysikerne Binnig og Rohrer i 1986). De følgende år blev teknikken brugt til at måle elektrontætheden på overfladen af diverse metaller  til stor glæde for blandt andre dem, som forskede i nye metaloverflader og i effektiviseringen af katalysatorer. Grunden til, at man nu kan se de enkelte atomer på overfladen ved hjælp af STM-teknikken, er, at nålespidsen har en elektronsky omkring sig selv, og når denne sky overlapper en elektronsky fra et overfladeatom, så kan det ske  selvom atomerne ikke rører hinanden  at enkelte elektroner overføres til nålespidsen og omvendt. Ved at tilføre nålen en lille elektrisk spænding, kan udvekslingen af elektroner bevirke, at der løber en ganske lille strøm mellem spids og overflade. Og det kan man så bruge til at producere et computerbillede af overfladen. Nu er det ifølge den klassiske fysik umuligt for strøm at løbe igennem vakuum. Men i kvantemekanikken findes den såkaldte tunneleffekt, der tillader elektroner at manifestere sig forskellige steder inden for en elektronsky, og derfor kan det godt lade sig gøre alligevel.

Billard-teknik
I 1996 fandt man ydermere ud af, at nålespidsen også kan bruges som en slags strømførende billardkø til at skubbe de enkelte atomer ud af overfladen med og sætte dem fast igen et andet sted. Ulempen var dog, at man blev nødt til at køle atomerne ned til minus 270 grader Celsius, ikke lige en temperatur man normalt arbejder under. Manipulationen af individuelle atomer og molekyler er selvfølgelig kun det første skridt i et langt mere ambitiøst projekt: At samle helt nye molekyler, eller selv nanomaskiner, ud fra enkelte atomer. Men bortset fra at plotte firmanavne i nanoformat er forskerne ikke nået nævneværdigt videre. Et enkelt forskerhold fra Harward og Berkeley i USA under ledelse af Philip Kim og Charles Lieber fik dog i slutningen af sidste år udviklet en slags nanopincet, som kan manipulere individuelle kulstofmolekyler (bestående af polystyrene), der kun er fire milliontedele af en meter lange.

Serie af dobbeltstød
Men de engelske forskere kan med STM-teknikken nu gå helt ned til atomstørrelse. Ved stuetemperatur er den termiske aktivitet dog for høj til, at nålespidsen kan ramme atomerne nøjagtigt. Nålespidsen mister sin præcise position, og atomerne smutter væk. I stedet fandt Pethica og kolleger ud af, at hvis man vibrerede nålen hurtigt fra den ene side til den anden, kunne man skubbe atomet lidt fra den ene side til den anden. På den måde kan forskerne altid beholde det ønskede atom foran spidsen og kontrollere det ved en serie af stød. Atomet mases så at sige igennem de andre atomer for at skrabe sig vej igennem kobberoverfladen. I sammenligning med det makroskopiske spil billard er den slags miserable dobbeltstød og skrab på overfladen selvfølgelig en primitiv bedrift. Men en begyndelse er det.

0 comments:

There was an error in this gadget