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Costruire un nanomanipolatore
I nanotecnologi promettono molto: elettronica forgiata da singole molecole, materiali super resistenti e leggeri, capsule ultrafini che trasportano farmaci a specifici organi o cellule del corpo. Ma per armeggiare con materiali su quella scala, i ricercatori hanno bisogno di strumenti per sondare e spingere i loro esemplari invisibilmente piccoli. E i produttori avranno bisogno di attrezzature per produrre in serie queste meraviglie future. Tali strumenti non sono economici. Il prezzo corrente per un nanomanipolatore – una macchina così chiamata non perché sia piccola di per sé ma perché può spostare oggetti con precisione nanometrica – è di decine di migliaia di dollari. Martin Culpepper, professore di ingegneria meccanica del MIT e vincitore del TR100, crede di poter produrre strumenti migliori per meno di $ 3.000 ciascuno utilizzando un approccio diverso alla progettazione delle macchine. I nanomanipolatori esistenti, sottolinea, hanno una serie di giunti e collegamenti diversi da assemblare insieme. Poiché gli spazi tra i pezzi possono essere larghi molti nanometri, questo vecchio paradigma, come lo chiama lui, non è pratico per il movimento su scala nanometrica. Invece, la macchina di Culpepper è costruita attorno a un pezzo che si piega e si flette leggermente. Mostra a Dan Cho di TR come fornire un movimento piccolissimo senza un prezzo astronomico.
1. Come il burro. Il nanomanipolatore inizia in un'officina meccanica, dove due degli studenti laureati di Culpepper, Soohyung Kim e Nathan Landsiedel, tagliano pezzi di metallo. Mettono una lastra di titanio sul letto di un cutter a getto d'acqua e inviano le istruzioni da un disco del computer alla console adiacente. Con un ugello mobile che spara un flusso d'acqua di un millimetro intriso di particelle di granato, la macchina può tagliare forme complicate in pochi minuti.
Questa storia faceva parte del nostro numero di ottobre 2004
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2. Orario flessibile. Culpepper porge uno dei pezzi appena tagliati. Questo è il cuore della sua macchina: tre strisce piatte che si diramano simmetricamente da un centro comune e sono circondate da un telaio nerboruto a formare un vago triangolo. C'è uno scopo in questa curiosa geometria. Il centro, o palcoscenico, del triangolo è dove una sonda sarebbe fissata in uno strumento completo. Tieni questi tre punti, dice Culpepper, indicando tre dispositivi a forma di rondella sospesi sui bracci piegati tra gli angoli del triangolo, quindi spingi ciascuna di queste linguette di lato o su e giù. Indica le estremità delle strisce piatte e mostra come spingendo due linguette l'una verso l'altra si allontani il centro da entrambe. Premere su tutti e tre e il centro si sposta verso l'alto. Premendo diverse combinazioni di linguette, può far scorrere o ruotare il palco in qualsiasi direzione possibile. Questo è ciò che gli ingegneri chiamano movimento a sei assi, qualcosa che i nanomanipolatori esistenti faticano a raggiungere.
3. Attaccarsi. Culpepper fissa il pezzo flessibile sulla base di alluminio della sua macchina. La rotazione di uno dei lunghi pomelli sporgenti dai lati sposta di alcuni micrometri l'adiacente apparecchio a forma di rondella. Con queste manopole, Culpepper può regolare la forma del triangolo, adattandolo a diversi compiti. Possiamo fare in modo che abbia una gamma di movimento più ampia o più piccola o una risoluzione più fine, spiega, in modo che le persone non debbano spendere diverse migliaia di dollari solo per svolgere un'attività.
4-5. Primi motori. Culpepper poi collega la base a tre attuatori, i componenti che spingono e tirano le linguette flessibili a comando. Ogni attuatore è costituito da cilindri di alluminio avvolti da filo di rame avvolto a mano. All'interno ci sono lunghi pezzi a forma di bastoncino ricoperti alle estremità con potenti magneti. Quando la corrente passa attraverso i fili, crea un campo magnetico all'interno dell'attuatore, spingendo i magneti e il meccanismo da un lato o dall'altro, o su e giù.
6. Attenzione al divario. Sulla parte superiore del dispositivo, Culpepper fissa un pezzo ingombrante cosparso di fili. Questa corona tricorno in alluminio contiene sei sensori di capacità cilindrici che monitorano con precisione il movimento del palco. Culpepper sta contemplando un sistema di misurazione basato su laser più compatto per le versioni future. Può muoversi senza i sensori, aggiunge, ma ai livelli di precisione a cui miriamo, è fondamentale misurare.
7. Corsa silenziosa . Con il nanomanipolatore assemblato e cablato, Culpepper si avvicina al computer per testarlo. Non è molto da vedere a occhio nudo, ma mentre digita i comandi sulla tastiera, lo stadio del manipolatore esegue una routine di contorsione su nanoscala. Culpepper tiene d'occhio i numeri, osservando perturbazioni impreviste. Le vibrazioni dell'aria suscitate dalle normali conversazioni vocali possono alterare la posizione del palco, sebbene un'attenta progettazione strutturale abbia ridotto al minimo questo effetto. Gli strumenti di laboratorio che incorporano il manipolatore - che Culpepper inizierà a progettare questo autunno - saranno completamente protetti da questi tremori. I nanotecnologi che tagliano i coupon potrebbero presto avere motivo di festeggiare.