– Mi a nanotechnológia és miben áll a jelentősége?
– Nanosz görögül törpét jelent. A természettu-dományokban a ‘nano’ előtag egy mértékegység parányi részét, a nanométer esetében a méter ezredmilliomod részét jelöli. A nanotechnoló-giával előállított eszközök és gépek építőelemé-ül szolgáló „téglák” mérete a nanométer tarto-mányába esik. A kifejezést kétféle értelemben használják. Alkalmazzák általánosan minden olyan gyártási eljárásra – függetlenül annak módjától —, amelyben a nanométer méretű alkat-részek szerepet játszanak. Szűkebb jelentésköré-be viszont csak azok a gyártási eljárások tartoz-nak, amelyek során a gyártani kívánt gépeket, eszközöket atomokból és molekulákból „szereljük össze”.
– Mikor került a nanotechnológia a politika látó-körébe?
– 1992 júniusában az Egyesült Államok szená-tusának tudományos, technológiai és űrkutatási albizottsága tárgyalta a Molekuláris nanotechnikák című előterjesztést. AI Gore, a szenátusi bizottság akkori elnöke a következőket mondta:
A molekuláris nanotechnika fogalmának használói valójában a termékgyártásnak egy alapvetően új mód-járól beszélnek. Tárgyaink alkatrészeit ma egy tömb-szerű anyagból, a felesleg eltávolításával alakítjuk ki, majd a különböző alkatrészekből összeszereljük a ter-vezett gépet. A molekuláris nanotechnika abból indul ki, hogy bármely tárgy elsődleges építőelemei a tárgyat alkotó molekulák. Nos, Önök azt állítják, hogy meg-kezdhetjük a mesterséges tárgyak molekulánkénti fel-építési technológiáinak kidolgozását, mivel a termé-szettudományok minden olyan törvényszerűséget fel-tártak, amely ehhez szükséges?
Az előterjesztő Eric Drexler válasza mindössze ennyi volt: „Igen”. E lakonikus választ sokan vi-tatják, de az alapkutatás világszerte nagy erőkkel folyik. Az Egyesült Államokban 2001-ben min-den valószínűség szerint elindítanak egy nagy nemzeti nanotechnológiai programot. E program átfogja a nanotechnológiához szükséges alapku-tatásokat a fizikában, a kémiában, a biotechnoló-giában, alapvetően azonban olyan műszaki-tudo-mányos alapkutatási program, amelynek célja a kijelölt területeken nanotechnológiákkal előállí-tott hasznos termékek készítése. A nanoelektro-nika az informatikában hasznosítja a nanotech-nológiákat, a cél parányi számítógépek és érzéke-lők létrehozása.
– Mikorra várható a nanotechnológiai eljárások széles körű elterjedése?
-A nanotechnológia a 21. század gyártási eljá-rása, amely feltehetően mintegy 20-30 év múlva válik általánossá. Valójában eddig is minden gyártmány atomokból épült, ám az alkatrészeket valamely nagyon durva, általában már meglévő anyag megmunkálásával állítottuk elő. A nano-technológia kísérletet tesz arra, hogy alulról föl-felé építkezve, atomokból, molekulákból hozza létre a különféle gépeket, eszközöket, kompute-reket.
– Jelenleg mire képes a nanotechnológia?
– Ma már képesek vagyunk megfigyelni a na-nométerek tartományába eső atomokat és mole-kulákat. Erre szolgál az úgynevezett „pásztázó ala-gút” mikroszkóp, melyen át látni lehet, hogyan működnek az anyagban az atomok és molekulák. Ám ahhoz, hogy egyáltalán beszélhessünk nano-
technológiáról, teljesülnie kell egy másik felté-telnek is, mégpedig annak, hogy megtanuljuk va-lamilyen módon kezelni ezeket a parányi törpé-ket, legyenek olyan eszközeink, amelyekkel egy-egy atomot, egy-egy molekulát föl tudunk emelni, el tudjuk vinni, és egy másik atommal és molekulával össze tudjuk szerelni. A szerelést ter-mészetesen nem mi végezzük, hanem a természet maga: tudjuk, hogy ha két hidrogén és egy oxigén molekulát közel hozunk egymáshoz, akkor azok automatikusan vízzé égnek el. Tehát nem vala-miféle természetellenes műveletet végzünk, épp ellenkezőleg. Megteremtjük a természet számára azokat a feltételeket, amelyek segítségével ő maga gyárt. Így a nanotechnológiai eljárások egy-részt igénytelenek az energia szempontjából, másrészt környezetbarátok. Csakis olyan moleku-lákat lehet építeni, amelyek a természet törvé-nyei szerint működnek.
— Hogyan alakult ki ez a „természetes” csúcstech-nológia?
– Mihelangelo így fogalmazott: „a legnagyobb művésznek sincs oly álma, mit ne zárna bármely kockamárvány önnön feleslegébe, míg kitárván a lélek által vont kéz megtalálja”. Adott a tömb, és jön a véső. A természet maga sose dolgozott így. A növények a földből atomokat szívnak föl, vi-zet, széndioxidot gyűjtenek össze, és a napenergia segítségével cukrot, fehérjéket, vitaminokat sze-relnek össze az életükhöz. A molekuláris nano-technológia megkísérli ennek mintájára az ember számára szükséges mesterséges tárgyakat – legye-nek azok akár az agrárium termékei, akár az infor-matikában vagy a gyógyászatban használatos esz-közök – molekulákból fölépíteni és összeszerelni, mégpedig szigorúan a természet törvényei által előírt módon. Ugyanis egy márványtömbből erő-szakosan bármit faraghatok, de molekulákból csak olyan struktúrákat építhetek fel, amilyene-ket a természeti törvények megengednek.
A nanotechnológiát illetően nagyon sokan szkeptikusok voltak, mondván: hogyan lehet mo-lekulákat egyáltalán megfogni és odébb vinni, hi-szen a termodinamika szabályai szerint a moleku-lák állandóan ugrálnak, mozognak. Feynmann volt az első, aki kimutatta, hogy ez nem mond el-lent a természet törvényeinek. A kémikusok már 200 év óta tudják, hogyan kell atomokból mole-kulákat építeni. Meg kell teremteni a megfelelő feltételrendszert, s akkor majd a természet össze-
szereli a gépeinket. 1985-86 körül jelentek meg az első ezzel kapcsolatos dolgozatok. Maga Feyn-mann megírta a „Kvantummechanikai számító-gép” című nagy cikkét, David Deutsch pedig Ox-fordban elkészítette a kvantumszámítógép elmé-letét. Ezt követően, a ’90-es évek legelején az M.I.T.-ban egy fiatal kutató, Eric Drexler dolgo-zatában felvázolta, hogyan lehet gépeket létre-hozni. Számítógépes szimuláció segítségével megmutatta, hogy a természeti törvényekkel összhangban építhetünk olyan tengeralattjárót, amely az ember érrendszerébe küldve eltávolítja a fölöslegesen lerakódott szennyező anyagokat, vagy mint valami kis gép, elszállítja a gyógyszert oda, ahol annak hatnia kell.
– Milyen területeken lehet alkalmazni nanotech-nológiát?
— Ha a jelenlegi technológiákkal állítjuk elő az energiát, a gépkocsikat, az élelmiszert, ha a vegy-ipart a jelenlegi formában működtetjük, akkor a 21. században olyan konfliktusokkal kell számol-ni, amelyek veszélyeztetik az emberiség létét. A nanotechnológia a felvetődő problémák egy ré-szére megoldást ígér. Mesterséges fotoszintézissel esetleg sikerül a napenergiát lényegesen hatéko-nyabban az ember szolgálatába állítani. A nano-technológiával előállítandó termékek gyártása során megkövetelhető, hogy csakis a természetes körfolyamatba beilleszthető anyagokat használ-ják fel.
Az agrártudomány területén a nanotechnoló-giák módot nyújthatnak olyan hatékony, lénye-gesen kisebb energiaigényű élelmiszergyártásra, amely segíthet a harmadik világ égető élelmezési gondjainak megoldásában. Természetesen igen intenzív munka folyik a gyógyszeripari és gyógyá-szati alkalmazás terén is, minthogy nanotechno-lógiával az eddigieknél jóval hatékonyabb orvos-ságokat, vizsgálati és kezelési módszereket dol-gozhatunk ki. A tervekben szerepelnek olyan in-telligens gyógyszerek, amelyek csak ott hatnak az emberi szervezetben, ahol erre szükség van. így nagyrészt kiküszöbölhetők a mellékhatások. Ezenkívül megoldhatóvá válnak a jelenleg ren-delkezésre álló műszerek túlságosan nagy mérete miatt lehetetlennek tűnő feladatok. Olyan esz-közökre van kilátás, melyek az érrendszerben mo-zogva az emberi szervezet legkülönbözőbb pontja-ira képesek eljutni, illetve a megfelelő anyagokat odaszállítani. A rákos sejtek elpusztításának ilyen
szelektív és lokalizált akciója különösen nagy je-lentőségű lehet, e téren igen komoly anyagi erő-forrásokat mozgósítanak.
Tudjuk, hogy az emberiség energiaszükséglete-inek sokszorosát elpazaroljuk. Nem hasznosítjuk a napenergiát. A nanotechnológiai program igen jelentős feladatnak tartja az úgynevezett Energy Harvest projectet, amelynek célja, hogy megkísé-reljük a napenergiát mesterséges fotoszintézis se-gítségével akkumulátorokban vagy valamilyen módon tárolhatóan felhasználni. Ezzel elérhet-nénk, hogy a földre érkező energiát hasznosítsuk, s így ne éljük fel a gyerekeink, unokáink és a kö-vetkező generációk elől az évmilliók alatt a föld-ben felhalmozott értékes anyagokat. Mindaz, amit ma elégetünk, az emberiség számára igen hasznos molekulák rendkívül gazdag kincstárára. Ezeket az anyagokat – például az olajat – sokkal jobban lehetne értékesíteni, ha nem volna ilyen óriási energiaéhség. Egyébként a nanotechno-lógiai programokkal kapcsolatos várakozásokban az is fontos szerepet játszik, hogy mivel itt a ter-mészet maga végezné a munkát, lényegesen csök-kenthetné mind az élelmiszer, mind a különböző hasznos tárgyak előállításával kapcsolatos tech-nológiák energiaszükségletét. Ezáltal az emberi-ség jóval energiatakarékosabb életmódra rendez-kedhet be.
– Mivei jár ennek a technológiának az alkalmazá-sa a számítógépek esetében?
– A mikroelektronika az elmúlt 40 évben fan-tasztikus diadalutat futott be annak köszönhető-en, hogy a komplexitást ugyanazon az áron 18 hónaponként meg lehetett duplázni, a minőség egyidejű javulása mellett. A technika történeté-nek egészen egyedülálló folyamatáról van szó, ne-vezetesen arról, hogy ha a bitet kezelő elemi esz-közt kicsinyítjük, mind kisebb és kisebb tranzisz-tort építünk, akkor ez a kisebb tranzisztor jobb minőségűvé válik: egy chipen lényegesen többet tudunk belőlük elhelyezni, tehát az eszköz sokkal komplexebb lesz, s közben az ára nem változik, mivel a félvezető eszközök ára kizárólag a lapka felületével arányos. A mikroelektronika 40 éve tartó diadalútja 2000 után néhány évvel falakba ütközik, ugyanis a káprázatos fejlődés titka az volt, hogy kicsinyítették a tranzisztort, és ennek következtében a szilíciumlapkára egyre több funkciót tudtak integráltan felépíteni. Ha vi-szont folytatjuk ezt a kicsinyítést, akkor a mikro-
nok és szubmikronok világából átlépünk a nano-méterek világába. Tíz nanométer alatt a tranzisz-tor már nem tranzisztorként működik, tíz nano-méternél kisebb vonalszélességű technológiával fölépített tranzisztorban új fizikai törvények ér-vényesülnek, a fizika ugyanis nem méretinva-riáns. Ennek következtében mások a törvények a mikronok és a milliméterek, és mások a nanomé-terek világában. Ez utóbbiban a kvantumfizika törvényei uralkodnak. Ebben a tartományban az eddigi paradigmák – az elektronika, mikroelekt-ronika paradigmája, ami az egész informatika, a számítástechnika paradigmáinak alapja – érvé-nyüket vesztik. Új paradigmát, új elveket kell ke-resni, s ezt teszi ma a nanoelektronika. Ráadásul ez a terület a nanotechnológia egyik meghatározó frontvonala, mondhatnám, a faltörő kos. Az elő-re tekintő nagy cégek laboratóriumai komoly ér-deklődést mutatnak iránta.
– Mennyiben jelent ez új paradigmát a számítás-technikában?
– Az alapcél lényegében számítógépek nano-technológiákkal történő előállítása. Magam is ez-zel foglalkozom a Notre Dame-i Kutató Központ-ban. A feladat az, hogy molekulákból szereljünk össze olyan logikai egységeket, memóriát stb, amelyek lehetővé teszik, hogy amikor a mikro-elektronika fejlődése megtorpan, folytatható le-gyen az információtechnika fejlesztése – most már a nanoelektronika és a nanotechnológiák eszközeivel. Itt, mint említettem, új elvekre, új módszerekre van szükség. Ezek keresése és kidol-gozása folyik most a laboratóriumokban. Az új el-vek vetettek fel egy alapvetően új információel-méleti és információtechnikai lehetőséget, neve-zetesen azt, hogy a számítógépek ne biteket, tehát ne digitális jeleket dolgozzanak fel, hanem kvan-tumbiteket, úgynevezett Q-biteket. Ez az ato-moknak, mégpedig a kvantum-kölcsönhatásban lévő atomoknak arra a tulajdonságára épül, hogy egy bizonyos ideig a kvantum-állapotok kevert állapotai is fönntarthatok az anyagban. A kvan-tum-számítógépek elmélete gyors fejlődésnek in-dult. Peter Scholl, az IBM egyik vezető matema-tikusa olyan algoritmust dolgozott ki, amellyel megmutatta, hogy az ilyen komputerekkel lehet-séges a nagy számok faktorizációja, amely a digi-tális számítógépek számára megoldhatatlan komplexitású feladat. Egy adott faktorizációhoz szükséges idő ugyanis több millió év azokra a szá-
mokra, amelyeket ma a titkosítás, a titkos kódok kidolgozására használnak. Ha már léteznék kvan-tum-számítógép, ezt a problémát igen rövid időn belül, néhány perc alatt meg lehetne oldani. Mi-vel fennáll annak veszélye, hogy aki először birto-kolja a kvantum számítógépet, az a világ összes bankjaiba és titkos rendszereibe be tud törni – le-gyen az terrorista, vagy az ellenség -, így minden-ki, aki az informatikai rendszerek biztonságáért felelős, nagy érdeklődést mutat a kvantum-szá-mítógépek elmélete és – természetesen – megva-lósítása iránt.
– Amennyiben ezek a nanoméretű eszközök „el-szabadulnak” , nem kis veszélyforrástisjelenthetnek.
– Ezek a tárgyak nem életszerűek, tehát nem hasonlíthatók a biológiai struktúrákhoz, csupán a biológiai gyártástechnológiához hasonló eljárá-sokkal készülnek. A jelenleg szóba jöhető szerke-zetek komplexitása – ide értve a számítógépét is -jóval kisebb, mint egy vírusé vagy egy baktériu-mé. Sokszorosítani akarjuk a nanogépeket, hogy a szükséges mennyiségben álljanak rendelkezés-re, ám ez nem azonos az életszerű sokszorosítással. Ennek következtében a veszélyek majd csak ak-kor jelennek meg, amikor a nanotechnológia elér egy olyan komplexitási szintet, melyen az élőlé-nyek és az ember számára közvetlen veszélyt oko-zó tárgyakat is elő lehet állítani. Ez – bár távoli -reális veszély, s megítélésem szerint nagyon fon-tos, hogy időben elkészüljenek és életbe lépjenek a megfelelő, a tudomány többi területén már meglévő biztonsági rendszabályok.
– De elegendőek-e efféle rendszabályok egy ilyen hatékonyságú „természetes” technológiával szemben?
– Azt gondolom, helyes, ha itt Neumann Já-nosnak a „Túlélhetjük-e a technikát?” című dol-gozatára utalunk. O elsősorban a nukleáris ener-gia hasznosítása kapcsán vetette fel a kérdést. Az emberiség története során a türelem, az intelli-
gencia és az alkalmazkodóképesség eddig mindig az élet győzelmét eredményezte – mondja —, épp ezért bizakodva tekint a jövőbe. Ez a türelem, in-telligencia és alkalmazkodókészség remélhetőleg a nanotechnológiák alkalmazása esetében is meglesz gyermekeinkben és unokáinkban, és ahogyan eddig minden hasznos és egyben veszé-lyes technikát az emberiség javára fordítottak, úgy ezeket is elsősorban pozitív célokra fogják használni.
– Milyen széleskörű hatással járhat ennek az új technikának az elterjedése?
– Az emberiség történetében száz esztendő nem túl hosszú idő. Ezért bizonyos folyamatok elég jól előrejelezhetők. Nagyjából biztosan tud-juk, hogy 2100 körül hozzávetőleg tízmilliárd em-ber fog élni a Földön. Tudjuk azt is, hogy a váro-sok, a településszerkezet, tehát az emberiség alap-vető életkörülményei száz év alatt radikálisan nem változnak meg. Ami megváltozik, az az em-ber és a természet kölcsönhatásának technikai rendszere. Ez az elmúlt száz esztendőben is gyöke-resen átalakult.
A 21. század nagy kihívása, hogy amit a fejlett országokban elértek és el fognak érni, annak pozi-tív hatásai kiterjedjenek a harmadik világra is, ahol ma komoly feszültségek jelentkeznek az élet-kilátások és az életszínvonal terén. Azt gondo-lom, hogy a nanotechnológiák e tekintetben mi-nőségileg nem különböznek a 20. század techni-káitól, de mindazokban az alapkérdésekben, amelyekre ma nem látunk jó megoldást, segítő eszközként kínálkoznak, s bizonyosan hozzájárul-nak majd ahhoz, hogy a fejlődés fenntartható le-gyen, hogy egyre több ember számára nyíljon meg az egészséges és boldog élet választásának lehe-tősége.
A BESZÉLGETÉST MONORY M. ANDRÁS ÉS TILLMANN J. A. KÉSZÍTETTE