Štefan Luby: Nanosvet na dlani

23. mar. 2017 • Nanotechnológie

Štefan Luby: Nanosvet na dlani

Nanotechnológia nám dala nástroje hrať sa s konečnými hračkami prírody – atómami a molekulami. Všetko je zhotovené z nich. Možnosti vytvárania nových vecí sa zdajú neobmedzené.“ To sú slová Horsta Störmera, laureáta Nobelovej ceny za fyziku, ktorého okrem iných vo svojej knihe Nanosvet na dlani cituje Dr. h. c. prof. Ing. Štefan Luby, DrSc.

V jej úvode tvrdí, že cestu nanovede a nanotechnológiám dláždili polovodiče a mikroelekronika, ktorá v druhej polovici 20. storočia zmenila spôsob našej existencie. „Tento vývoj pokračuje. Nebol by možný bez zlomových inovácií, najmarkantnejším príkladom ktorých je objav tranzistora,“ uvádza v knihe Nanosvet na dlani Štefan Luby. Takéto prelomy bývajú podľa neho oceňované Nobelovou cenou, pričom pre rozvoj elektroniky boli osobitne dôležité Nobelove ceny vo fyzike polovodičov a rozvoj nanovedy a nanotechnológie sa už opiera o objavy a vynálezy ocenené vo fyzike aj chémii. 

Faktom je, že práve veľké množstvo ocenení v podobe Nobelových cien bolo udeľované práve v týchto dosiaľ ešte nie úplne prebádaných a pre vedecké špičky nesmierne lákavých oblastiach. Ako sa uvádza v knihe, v oblasti polovodičov bolo udelených zatiaľ šesť Nobelových cien. S rozvojom nanovedy a nanotechnológií korešponduje sedem Nobelových cien vrátane tej poslednej, najaktuálnejšej z minulého roka: J.-P. Sauvage, J. F. Stoddart, B. L. Feringa, 2016, cena za chémiu za návrh a syntézu molekulárnych strojov (Sauvage od 1983, Stoddart od 1991, Feringa od 1999).

Podľa Dr. h. c. prof. Ing. Štefana Lubyho, DrSc. je treba spomenúť aj laureáta Nobelovej ceny za fyziku R. Feynmana, ktorý ju dostal za dielo „Princípy fyziky nie sú v rozpore s manipulovaním vecí atóm po atóme“ v roku 1965, spolu s J. S. Schwingerom a S. Tomonagom za nezávislé príspevky ku kvantovej elektrodynamike; práve R. Feynmana považuje odborná verejnosť za vizionára nanovedy a nanotechnológie.

Ako vlastne vznikala myšlienka pustiť sa do prípravy knihy s tematikou nanovedy a nanotechnológií? Profesor Luby vysvetľuje, že v nanovede a nanotechnológii pracuje pätnásť rokov. „Prvý projekt na nanočasticové senzory plynov financovaný NATO sme podali s prof. Luchesom z Talianska. Nanoveda sa zaoberá objektmi s rozmermi od 0.1 do 100 nm (nm je miliardtina metra). Rozlišovacia schopnosť optického mikroskopu je asi 200 nm. Z toho vyplýva, že nanomateriály, predovšetkým nanočastice, nie sme schopní vidieť nielen voľným okom, ale ani bežným mikroskopom. Potrebujeme na to elektrónový alebo rastrovací tunelový mikroskop.“

Nanoveda sa preto podľa nášho vedca stáva arénou aj pre nezodpovedné preháňanie až strašenie verejnosti. „Prišiel k tomu americký vizionár Drexler, ktorý vydal knihu Tvoriace stroje a rozšíril predstavy o zariadeniach, ktoré dokážu vytvoriť svoje vlastné kópie. Preto je potrebné odhrnúť závoj a poukázať na to, čo je reálne a čo je nadnesené bez toho, že by som problémy, ktoré nanotechnológie prinesú, bagatelizoval. Nanomateriály majú totiž veľký špecifický povrch a preto sú vysoko reaktívne, resp. za určitých okolností toxické. Na druhej strane tento veľký povrch je východiskom použitia v katalýze, meraniach a inde. Pokiaľ sa dodržiava kódex správania zodpovedného nanovedca, resp. nanoaplikátora, možno problémy eliminovať.“

Trecie plochy vznikajú podľa neho na rozhraní veda / komerčná sféra, lebo výrobcovia produktov obsahujúcich nanomateriály – kozmetiku, potraviny, odevy s antibakteriálnymi časticami, propagujú často zjednodušene. „Cieľom knihy je podať nanotechnológiu a jej poslanie vyvážene, poukázať na jej veľký inovačný potenciál i na jej riziká,“ hovorí jej autor. Knihu Nanosvet na dlani, ktorá sa práve dostáva k čitateľom, vydala VEDA, vydavateľstvo SAV, pre Centrum vedecko-technických informácií SR. 

obálka knihy Štefana Lubyho Nanosvet na dlani

Profesor Luby je presvedčený, že nanoveda a nanotechnológie sú hnacou silou súčasného vedeckého a technického napredovania, pričom ich rozvoj sa opiera o prelomové poznatky, oceňované Nobelovými a inými vysokými medzinárodnými vedeckými cenami. „Tieto poznatky sú aj zdrojom nových technických a medicínskych riešení. Hlavnými oblasťami nanovedy a nanotechnológií, z ktorých vyviera nová kvalita, je výskum materiálov a elektronika. Tvorivosť nanovedy sa opiera o spoluprácu fyziky, chémie, biológie, materiálového výskumu a inžinierskych disciplín. Na ich rozhraniach je stále veľa nepreskúmaného, v dôsledku čoho nás nanoveda a nanotechnológie prekvapujú vysokou kadenciou nových poznatkov a aplikácií. Optimistické hyperbolizácie, ktoré sprevádzajú vznik každej novej technológie, považujú nanotechnológie za všeliek na neduhy našej neekologicky využívanej a preľudnenej planéty,“ píše autor vo svojej knihe.

Tieto postoje sú podľa neho kompenzované odporcami disciplíny, ktorí – aj keď sú v menšine – poukazujú na jej odvrátenú tvár, hrozby a nebezpečenstvá. „Rozsúdenie sporu si vyžaduje spoluprácu celého spektra vedných odborov vrátane spoločenských vied a humanít. V predkladanej knižke tejto téme, ktorej sme veľa dlžní, venujem pozornosť. Je to potrebné tým skôr, že na Slovensku, kde sa veda a technika podporujú slabo a výskum ťažko bojuje o granty, sa odvrátená stránka nových technológií zo strany výskumu radšej nezdôrazňuje a zatiaľ ju aj médiá vnímajú v malej miere (hoci rady poskytujú priestor katastrofickým scenárom). Nanovedu a nanotechnológie treba prezentovať vyvážene.“

Ako by profesor Luby naformuloval hlavné posolstvo tejto knihy? „Jedno z posolstiev je predstaviť nanovedu ako Zovšeobecnený priebeh hype-cyklu, ktorý sa dá aplikovať aj na vývoj nanotechnológií. 1 – štart technológie, 2 – vrchol očakávaní, 3 – údolie rozčarovania, 4 – vzostup využitia, 5 – hladina produkcie. Na krivke je vyznačená súčasná poloha grafénu, uhlíkových nanorúrok a nanočastíc.postupne sa rozvetvujúci súbor odborov. Okrem vlastných technológií prípravy nanočastíc, nanorúrok, fullerénov, grafénu a ďalších nanoentít, ktoré majú dnes už veľmi rozvetvené aplikácie, sú to nanometrológia a nanoštandardizácia, nanotoxicita, nanoetika i využitia nanovedy v nanoelektronike, ktorá však tvorí samostatný odbor, pričom biomimetika je zdroj prírodných inšpirácií pre nanovedca.“ Osobitne zdôrazňuje význam nanoetiky, ktorá rieši problémy ako je zvyšovanie ľudských schopností, vojenské použitia nanotechnológií a ekonomické súvislosti, konkrétne vznik nanomedzery, ktorá oddeľuje rozvinutý svet, ktorý nanovedu využíva, a chudobný rozvíjajúci sa svet, ktorý z nej profituje relatívne menej. 

„Nanoetike sa na Slovensku pozornosť prakticky nevenuje. Iný aspekt je zdôrazniť, že pokrok v nanovede sa opiera o prelomové fyzikálne a chemické objavy a vynálezy, ako sú sondové mikroskopy, fullerény, grafén, spintroniku, nanoskop, molekulárne stroje a i., ocenené Nobelovými a Kavliho cenami. Nanoveda je predný vývoj súčasného poznania a z hľadiska pokroku vedy je to prelomová disciplína,“ ubezpečuje autor knihy.

Špeciálne miesto v nej venuje vizionárovi tohto odboru Richardovi Feynmanovi, ktorý v roku 1959 vyslovil známe konštatovanie, že zákony fyziky neprotirečia manipulovaniu, teda skladaniu látok atóm po atóme. Predniesol vtedy svoju víziu „Na dne je veľa priestoru“, ktorá sa v tých časoch stala prevratnou a dodnes je inšpiratívnou základňou pre množstvo vedcov.

„S odstupom 57 rokov sa musíme pokloniť Feynmanovej prezieravosti, ktorý v rokoch, keď okolo Zeme krúžili prvé umelé družice (1957 – 1960) a časopis Science uverejnil bombastické predpovede o rozvoji dopravy, obracal pozornosť od dobývania kozmického priestoru a nesplniteľných predstáv o kolóniách na planétach k reálnej ceste pokroku. Tou je pokračujúca miniaturizácia, súčasný zdroj nových vlastností a funkcií materiálov. Feynmanov priestor tam na dne nie je geometrickým priestorom, ale priestorom rozvoja spoločnosti. Kto mu nedal za pravdu vtedy, musí pochopiť správnosť jeho úvah teraz, keď je jasné, že práve miniaturizácia s neustále klesajúcimi nákladmi na vykonanú operáciu a pri zlepšujúcich sa úžitkových vlastnostiach výrobkov je prakticky jedinou cestou udržateľného pokroku,“ konštatuje profesor Štefan Luby.

Richard Feynman, laureát Nobelovej ceny za fyziku, sa podľa slovenského vedca pri formulovaní svojej vízie inšpiroval pokrokom v dosahovaní nízkych teplôt smerom k absolútnej nule, dlhodobým zlepšovaním vákua aj zvyšovaním tlaku v laboratórnych podmienkach. „Pokrok sa mu javil ´bezodný´. Svoje pozorovania zovšeobecnil na dosahovanie stále menších rozmerov. Táto koncepcia je pre nové technické riešenia plodná. Doviedlo ho to k predstavám o veľmi malých ložiskách, ktoré budú bežať bez mazadla, lebo pri malých rozmeroch sa dobre chladia, alebo k využitiu amorfných – nekryštalických materiálov, ktoré sú vnútorne homogénne, lebo neobsahujú kryštalické zrná, medzi ktorými sú rozhrania. Súčiastky z amorfných materiálov sa preto dajú zmenšovať aj pod hranicu, ktorá obmedzuje miniaturizáciu pri použití kovov alebo polovodičov zložených zo zŕn s rozmermi často iba niekoľko mikrometrov.“

Osobitne tvorivá bola podľa autora knihy Feynmanova idea miniaturizácie prvkov záznamových médií, a tým zvyšovania hustoty záznamu informácií. „Predpokladal, že na záznam jedného informačného bitu budeme potrebovať čiastočku látky pozostávajúcu aspoň zo 100 atómov, aby sa obmedzila strata informácie rozptýlením tejto čiastočky difúziou atómov, ktoré ju tvoria. Vypočítal, ako sa dajú zaznamenať informácie z 24 mil. zväzkov zaradených vo fondoch Knižnice amerického kongresu, Britského múzea a Národnej knižnice Francúzska. Vyšlo mu, že informačný obsah týchto knižníc je 1 015 bitov.“

Porovnanie objektov nanosveta a mikrosveta: Polymérne častice so zabudovanou magnetickou nanočasticou a liečivom Aliskiren, ktoré znižuje krvný tlak. Častice sa magneticky zavedú do obličky, kde sa liečivo postupne uvoľňuje a pacient nemusí denne užívať lieky (vľavo).Slovenský vedec vysvetľuje, že sa k tomu dostaneme napr. tak, že počet strán priemerného zväzku predpokladáme 800, počet písmen na strane 5 000, počet bitov na záznam písmena 10. „Na záznam potrebujeme teda 1 017 atómov. Hustota atómov v kremíku je 5,1 x 1 022/cm3. Potom na záznam uvedených informácií treba kocku kremíka so stranou trochu väčšou ako 0,1 mm.“ Ďalej si kladie otázku, aká je dnešná hustota záznamu 50 rokov po Feynmanovej úvahe. „Počet tranzistorov v integrovanom obvode výrobcov ako AMD, IBM, Motorola, Intel je asi 5 x 106/mm2, čo je viac ako 1 mld. informácií na čip pri zázname jedného bitu jedným tranzistorom. To zodpovedá použitiu dynamických obvodov, v ktorých sa informácia musí periodicky obnovovať. V statických obvodoch s trvalým záznamom je potrebný počet tranzistorov na jeden bit asi 4-krát väčší.

Ešte mnoho zaujímavostí sa nadšenci pre nanovedu a nanotechnológie dozvedia z knihy Štefana Lubyho Nanosvet na dlani. Autor hovorí, že pôvodne ju plánoval ako kolektívne dielo. „Nepodarilo sa mi však nájsť spoluautorov. Azda to súvisí s tým, že dnes sa najviac cenia časopisecké publikácie, ktoré prinesú citácie a sú dôležité pre kariérny rast. Pre mňa, ktorý som týmto slalomom už prešiel, bolo naopak motivujúce zhrnúť svoje, resp. naše poznatky, lebo v knihe propagujem aj výsledky SAV. Knihu som však musel napísať sám. Dostal som burzitídu ramena, ale som tu a teším sa, že som sa úlohy zhostil,“ uvádza v závere Dr. h. c. prof. Ing. Štefan Luby, DrSc., ktorý je zároveň vedúcim vedeckým pracovníkom Fyzikálneho ústavu Slovenskej akadémie vied.

 

Zaujala Vás téma a radi by ste si knihu prof. Lubyho kúpili? Neváhajte a zúčastnite sa na autogramiáde za prítomnosti samotného vedca, ktorá sa uskutoční dňa 28. marca 2017 o 17.00 hod. v Centre vedecko-technických informácií SR na Lamačskej ceste 8/A v Bratislave.

 

Informácie poskytol: Dr. h. c. prof. Ing. Štefan Luby, DrSc.

Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Foto: z knihy Štefana Lubyho Nanosvet na dlani

Foto publikácie: NCP VaT pri CVTI SR

Uverejnila: ZVČ

Súvisiace:

Hore
TVT 2017 fotografická súťaž
film Cesta času
kam za vedou 1
QUARK
Extrapolácie 2017
téma mesiaca
Aurelium - centrum vedy
Prechod VK na VND - jeseň
Veda v Centre
TVT 2017 výtvarná súťaž
Noc výskumníkov 2017
kúpa časopisov jún 2016
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
kam za vedou 2
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Pivo resp. nápoj z kvasených obilnín poznalo a pilo ľudstvo už pred viac ako 4 000 rokmi pred. n. l.
Zistite viac