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Nanotech: l'arte del possibile
Nel lavoro di George M. Whitesides le cose sono misurate in nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro e, per avere un'idea di quanto sia piccolo, dimentica le analogie con la larghezza di un capello umano o la testa di uno spillo. La nanoscala non ha nulla a che fare con oggetti familiari. Devi pensare a un luogo in cui gli oggetti, inclusi i dispositivi su cui stanno lavorando Whitesides e altri, sono solo leggermente più grandi degli atomi.
Costruire cose su quella scala si chiama nanotecnologia. È un campo in rapido sviluppo con un potenziale immenso; minuscoli dispositivi potrebbero rivoluzionare l'informatica, l'archiviazione delle informazioni, le comunicazioni e qualsiasi numero di aree impreviste. Ma è anche un'area soggetta a promesse esagerate, con speculazioni su nanomacchine che è più probabile che si trovino in Star Trek che in un laboratorio.
Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 1998
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Illustre chimico e scienziato dei materiali, Whitesides ha esplorato questo mondo molto piccolo per anni. Dopo quasi 20 anni al MIT, Whitesides è entrato a far parte del dipartimento di chimica dell'Università di Harvard nel 1982. Il ricercatore di Harvard ha fornito alla micro e nanofabbricazione alcune delle sue tecniche di costruzione più utili. Ma Whitesides mantiene anche un controllo di realtà ben addestrato sul mondo nano. Nonostante il suo evidente entusiasmo per il campo, è intento a definire cosa è e cosa non sarà possibile.
BAMBINI Il Senior Editor David Rotman ha recentemente visitato Whitesides, Mallinckrodt Professor of Chemistry ad Harvard, nel suo ufficio di Cambridge per distinguere i fatti dalla fantascienza nella nanotecnologia.
TR: Cominciamo con una domanda di base. Quanto piccolo si qualifica per la nanotecnologia?
LATI BIANCHI: La definizione standard è strutture funzionali che hanno dimensioni inferiori a 100 nanometri, ma penso che il numero dovrebbe essere di 50 nanometri o meno.
TR: Perché la nanotecnologia è così intrigante?
LATI BIANCHI: È un'estensione della microtecnologia. E la microtecnologia è la base per realizzare componenti per computer, e questo è un grosso problema. La microtecnologia è andata d'accordo per anni sull'idea che rendere le cose più piccole porta benefici: sono meno costose, ottieni più portabilità e più prestazioni per dollaro. L'idea è che dal momento che Small ha lavorato con la microelettronica, puoi continuare quella tendenza oltre le dimensioni attuali della microelettronica, e questo restringimento ti porta nel mondo chiamato nano.
TR: Quali tecnologie specifiche potrebbero scaturire da un simile lavoro?
LATI BIANCHI: Un buon esempio è la memorizzazione delle informazioni. In questo momento la dimensione di una macchia su un disco CD è dell'ordine di 10 micrometri quadrati. La gente, in particolare la gente dell'IBM, ha realizzato equivalenti CD che utilizzano pit su un disco rotante, ma ora i pit hanno una dimensione di 50 nanometri. Potresti ottenere, in qualcosa delle dimensioni di un orologio da polso, l'equivalente di forse 1.000 CD. Questo inizia ad avvicinarsi a una frazione della libreria di riferimento di cui hai bisogno per la tua vita. Ciò solleva domande interessanti: cosa succede quando sei in grado di mettere tutte le informazioni di cui hai bisogno per una parte importante della tua vita sul tuo orologio da polso, piuttosto che doverle effettivamente imparare? È una di quelle idee che sposta un po' la nozione di come dovrebbe essere condotta una vita. Puoi prendere quelle idee ed estrapolarle. Metti un sistema di posizionamento micro o globale sul tuo orologio da polso, così sai dove ti trovi. Potresti avere la capacità di localizzarti, di fare calcoli, di usare le informazioni, di comunicare.
TR: A che punto siamo in termini di realizzazione di alcune di queste cose?
LATI BIANCHI: Nella fase dei prototipi di laboratorio. Le persone hanno realizzato piccoli CD, ma non sono qualcosa che puoi usare al di fuori del laboratorio. Sarà molto difficile estendere i metodi di fabbricazione che le persone ora usano per realizzare queste piccole strutture a tutto ciò che è veramente fabbricabile, ma accadrà.
TR: Quanto è grande questa sfida?
LATI BIANCHI: Abbiamo una dimostrazione in linea di principio dalla microelettronica che se puoi rendere le cose più piccole, le persone troveranno molte cose interessanti da fare con loro. In questo momento, possiamo fare piccole cose nei laboratori, ma non sappiamo come fare cose davvero piccole in massa in un ambiente di produzione. E non sappiamo come usarli una volta che li facciamo. Fino a quando il problema di produzione non sarà risolto, non sapremo cosa si può fare e non sapremo come sarà la tecnologia.
TR: La fotolitografia che utilizza la luce ultravioletta per incidere i modelli sui chip di silicio è la tecnologia dominante nella produzione di microelettronica su scala micrometrica. Ma, presumo, non vedi che avrà molto futuro in termini di nanotecnologia?
LATI BIANCHI: La fotolitografia ha avuto molto successo. Abbiamo avuto una corsa meravigliosa con questa tecnologia e ci sono tutte le ragioni per pensare che continuerà per un po'. Ma ora inizi a fare un passo indietro e dici, beh, è difficile andare sotto i 100 nanometri e non puoi costruire cose 3D. In realtà non funziona per troppi materiali diversi dal silicio e cose del genere. Vorremmo rendere le cose piccole in modo che possano essere veloci, economiche, portatili e che non consumino energia. Come lo facciamo?
TR: Quali sono alcune delle alternative?
LATI BIANCHI: Uno sono i fasci di elettroni, una forma di realizzazione dei quali è il bisturi. [Scalpel è un sistema sviluppato presso i Bell Labs di Lucent Technologies che utilizza fasci di elettroni per modellare i wafer di silicio]. Un altro contendente è la litografia a raggi X [questo processo utilizza i raggi X per modellare i wafer]. Entrambi hanno molti problemi tecnici molto difficili, che presumiamo verranno risolti più o meno, ma se sono davvero abbastanza economici è un'altra questione. E poi ci sono nuove tecnologie in arrivo che sono, credo, legittimamente campi lunghi, come la litografia che utilizza atomi neutri o fasci di ioni. È, al momento, una vera e propria corsa di cavalli su quali tecnologie verranno utilizzate nella nanotecnologia. Ma questo è solo l'inizio.
TR: I limiti della fotolitografia sono abbastanza fondamentali da guidare un'intera nuova area della tecnologia per fare microelettronica?
LATI BIANCHI: Potrebbero essere. La fotolitografia sta diventando molto complicata e molto costosa. Per i fab di nuova generazione [strutture di fabbricazione per la produzione di chip a semiconduttore] che sono in programma ora per gli anni passati 2000, il costo del capitale per fab è stimato tra i 3 ei 10 miliardi di dollari. Se vuoi il 20 percento di ritorno sull'investimento e ci metti 10 miliardi di dollari, quanti microwidget devi vendere ogni anno per i pochi anni in cui quella fabbrica è lo stato dell'arte? La risposta è, molto. E alle persone che devono mettere i soldi non piace.
TR: Quindi rimane ancora una domanda su come saranno fatte le cose molto piccole. Quali sono le altre incognite sul futuro della nanotecnologia?
LATI BIANCHI: C'è il problema che i dispositivi, quando si arriva alla vera dimensione su nanoscala, non funzionano più come previsto in base alle estrapolazioni dei dispositivi esistenti. Ottieni opinioni un po' diverse su quanto la tecnologia esistente possa essere estrapolata. La mia ipotesi è che si possano prendere i sistemi esistenti ed estrapolarli da qualche parte nella regione da 50 a 100 nanometri. Quando inizi ad avvicinare fili, transistor e altri componenti, iniziano a parlare tra loro e questa diafonia diventa un problema molto serio. Anche le proprietà dei materiali di base utilizzati, il silicio drogato, diventano difficili da controllare.
TR: Oltre a ridurre la microelettronica sempre più piccola, si è parlato molto dell'utilizzo della nanotecnologia per altri tipi di applicazioni meccaniche.
LATI BIANCHI: Ci sono molte cose che vanno dall'essere potenzialmente reali a cose che sono fantascienza. C'è l'idea di macchine autonome molto piccole che nuotano nel flusso sanguigno o qualcosa del genere. Non vedo alcun modo per rendersene conto. Il motivo è che, a parte i problemi nel costruirli, ci sono problemi orrendi con il potere in tutto ciò che è un sistema autonomo. Dovrà esserci qualche invenzione veramente profonda prima che qualcuno capisca come alimentare piccoli sistemi autonomi. Abbiamo esempi di sistemi alimentati: ad esempio, cellule viventi o organelli nella cellula. Ma la cellula non è in realtà un piccolo oggetto. Le cellule dei mammiferi hanno un diametro di circa 25 micrometri e anche le cellule batteriche misurano da 1 a 3 micrometri. I virus, che sono molto più piccoli, non sono alimentati. Quindi il potere è una domanda fondamentale. L'attrito nei piccoli sistemi in movimento è un secondo. La produzione è un terzo.
TR: Pensi che alcune di queste applicazioni siano state sopravvalutate?
LATI BIANCHI: Quello che Eric Drexler [K. Eric Drexler è ricercatore presso l'Institute for Molecular Manufacturing di Palo Alto, in California; il suo libro Engines of Creation ha contribuito a rendere popolare la nanotecnologia] e altri fanno è costruire una serie di idee basate sul rendere le cose esistenti più piccole. Dicono che se hai un grande Rotorooter, perché non avere un piccolo Rotorooter?
TR: Ma è chiaramente il caso in cui solo perché sono più piccoli...
LATI BIANCHI: Non sono necessariamente migliori. Più piccolo non è necessariamente sempre migliore.
TR: E non sempre funzionano solo come una copia più piccola.
LATI BIANCHI: Destra. Non solo non sono necessariamente migliori, in particolare se sono più costosi, ma potrebbero anche non funzionare utilizzando gli stessi principi. Il che significa che per strutture davvero piccole, probabilmente, dovremmo inventare nuove architetture e nuovi modi di pensare al problema, in modo da poter affrontare le peculiarità di queste piccole macchine. E ovviamente una delle domande interessanti è: dove varrà la pena di realizzare macchine davvero molto piccole?
TR: Se avessimo questa conversazione tra cinque o dieci anni, qualche idea di cosa parleremmo?
LATI BIANCHI: Penso che potremmo avere una conversazione leggermente diversa. Uno che è meno su come la nanotecnologia ha cambiato il mondo e più su come la microtecnologia poco costosa lo ha cambiato. In questo momento, riserviamo il mondo delle strutture di microfabbricazione tra diverse centinaia di nanometri e un paio di micron [un micron è un micrometro, un milionesimo di metro] - per microprocessori elettronici e sistemi informatici. È una domanda molto legittima chiedersi cosa succede quando estendi molte cose che ora sono fatte su scale centimetriche e millimetriche alla scala micrometrica, e quali nuove funzioni ottieni?
TR: Cos'hai in mente?
LATI BIANCHI: Una frase che uso è tecnologia su scala micron con l'economia della carta da giornale. Ad esempio, invece di acquistare un giornale, potresti acquistare un foglio di carta; il lato posteriore sarebbe una batteria, il lato anteriore sarebbe un display. Lo leggi, scorri per trovare opere di riferimento su di esso, vedi illustrazioni animate e quando hai finito, lo butti via. Una delle cose di cui potremmo parlare tra 10 anni è come l'elettronica su scala micron che utilizza le nuove tecnologie si sia insinuata in tutti i tipi di cose. La mia convinzione è che quasi tutto - scarpe, finestre, giocattoli per bambini, etichette di generi alimentari, etichette di spedizione, carte di credito - avrà l'elettronica in pochi anni.
TR: Parli spesso della biologia e dei sistemi naturali. Cosa ti dice la biologia sulle nanotecnologie?
LATI BIANCHI: La biologia rende tutti i tipi di piccole strutture molto funzionali. Drexler parla di piccoli motori; abbiamo un fantastico esempio di un piccolo motore in biologia, che è il motore flagellare nei batteri. Questo motore funziona davvero molto bene e assomiglia molto a un motore. Possiamo imparare a usare queste cose biologiche in qualche modo appropriato nei nostri dispositivi, o capire meglio i principi della biologia e poi imparare come incorporare questi principi in sistemi non biologici? Un altro esempio sono i sensori. Molto di ciò che viene fatto in qualsiasi sistema biologico è il rilevamento. La retina, il naso, tutto questo si basa su molecole che sono sensori su nanoscala. Come possiamo usare queste idee per costruire occhi e nasi artificiali?
TR: La biologia ti dice qualcosa sulle sfide future?
LATI BIANCHI: Siamo costituiti da un insieme gerarchico di strutture e componenti. Abbiamo molecole a livello di nanoscala raccolte in organelli, che sono da 10 nanometri a forse 100 nanometri, raccolti e lavorano collettivamente nelle cellule, che poi si aggregano in tessuti che diventano noi. Uno dei problemi dell'elettronica è che lavoriamo solo su due scale. Transistor e collezioni di transistor, e questo è il dispositivo. Ma per sfruttare appieno il nano, dovremo pensare a quella gerarchia completa di livelli di struttura.
TR: Quali sono alcune delle lezioni più importanti che la tua ricerca sulla nanotecnologia ti ha insegnato?
LATI BIANCHI: Uno è l'idea che la funzione è spesso gerarchica e prioritaria. Le molecole fanno certi tipi di cose, gli oggetti che sono 10 nanometri fanno certi tipi diversi di cose, gli oggetti che sono 100 nanometri fanno ancora altri tipi di cose. Per funzionalità complesse, è necessario imparare a costruire da piccoli pezzi in oggetti di grandi dimensioni sfruttando le capacità uniche di ciascuno. Il secondo è che ci sono fenomeni che sono specifici della dimensione. Una delle cose che si fa su qualsiasi scala è cercare la commensurabilità tra il fenomeno che si sta guardando e l'oggetto. Ogni volta che vedi che il fenomeno e le strutture hanno dimensioni simili, ci sono cose interessanti che puoi fare. La terza cosa è che per la scala nanometrica in particolare non esiste un magazzino più ricco di idee e strategie interessanti della biologia.