Student World

Nanotechnologie, molekulova elektronika a kvantove pocitace jsou castecne se prekryvajici pojmy, byt nanotechnologie je z nich nejobecnejsi Jakysi prapuvod techto koncepci se da spatrovat v prednasce, kterou Richard Feynman pronesl 29.12.1959 na vyrocnim setkani Americke fyzikalni spolecnosti na Kalifornske vysokem uceni technickem (ve zkratce Caltech). Nicmene sam termin nanotechnologie v prednasce nazvane ‚There’s Plenty of Room at the Bottom‘ jeste pouzit nebyl.

O nejakych ctyricet let pozdeji, 21.1.2000 tamtez vsak termin nanotechnologie hojne pouzival president Clinton, kdyz vyhlasoval zacatek Narodni Nanotechnologicke Iniciativy, ktera by mela umoznit pristi prumyslovou revoluci. Jako ilustraci ocekavanych outputu uvedl pametovy element velikosti kostky cukru, do ktereho bude mozne ulozit veskere informace, ktere dnes obsahuje knihovna americkeho kongresu.

Ctenare ale asi vic prekvapi, nez zajem presidenta Clintona, sdeleni, ze o teto finalni miniaturizaci pocitacovych pameti se v CSAV v Praze spekulovalo jiz v osmdesatych letech. V Akademii tehdy v nekolika vlnach dochazelo k pokusum prirorizovat slibne vyzkumy. Prvne k tomu doslo, kdyz se predsedou Akademie stal akademik Kvasil. Vsechny ustavy tvorily ruzne prioritni navrhy, aby pak nakonec na tom vydelal Fyzikalni ustav, ke kteremu mel akademik Kvasil nejblize, zatimco ostatni ustavy okrouhaly. Situace se pozdeji opakovala, kdyz doslo k priorizaci po nastupu akademika Rimana, tentokrat s tim vysledkem, ze na tom vydelal Ustav molekularni genetiky, zatimco ostatni ustavy okrouhaly. Ale nekdy v r. 1988 doslo k dalsi iniciative. Mely se formulovat slibne projekty v casovem horizontu do (a dokonce pres) rok 2010. Chemicke ustavy, ktere se valne priorizaci zatim netesily, prisly s vicero makro-projekty, ktere prochazely horizontalne nekolika ustavy. Jednim z nich byl projekt molekulova elektronika.

Po prechozich zkusenostech k tomu byl dost vlazny vztah, neb se cekalo, ze po slusnem objemu administrativy se zase jen okrouha. Jako jakysi ad hoc koordinator toho projektu mel figurovat Dr. Stanislav Nespurek, ktereho jsem neznal. Nicmene ho znal Ing. Jiri Pancir, ktery tvrdil, ze je to solidni clovek, a ze proto hodla na molekulove elektronice take pracovat. To sice nezarucovalo, ze se uz konecne najde kanal, jak si konecne poridit nejake pocitacove vybaveni, ale pomoci to mohlo. Pocitacove vybaveni byl nas hlavni problem, protoze na rozdil od jinych pracovist jsme nikdy zadne nemeli, a tak jsme se jen ruzne pokoutne prizivovali. Pod vlivem tech priznivych perzonalnich referenci jsem se tedy tez zacal o vec blize zajimat.
Jeden mozny zpusob, jak vytvorit pamet na molekulove urovni je vzit system, ktery pripousti cis a trans isomerii. Jeden isomer bude slouzit jako materializace nuly, a druhy jako jednicka. Jediny problem je, aby oba isomery byly dostatecne stabilni, neprechazely na sebe spontane, nybrz jen na nejaky kontrolovany podnet, ktery bude predstavovat zapis do pameti. Krom toho musite byt tez schopni kdykoliv precist, jestli v te konrektni pametove bunce mate zrovna cis nebo trans isomer. Pokud vsechno tohle splnite, staci vam pro kazdou pametovou bunku jedna molekula, a dosahnete tak limitne malych rozmeru pameti. Zatim neni jasne, zda se opravdu nekdy bude pracovat jen s jednou molekulou, neb pametova bunka bude treba pole 10×10 identickych molekul (aby se eliminovaly chyby a defekty).
Nicmene cis-trans isomery me prilis nepritahovaly, neb jsem se tehdy vic uz obiral fullereny. Fullereny (jmenovite C60 a C70) byly prvne pozorovany v zari 1985 a pozorovani publikovano v listopadu 1985. Jsou to mnohostenove ciste uhlikate molekuly, pricemz jako steny tech mnohostenu typicky figuruji peti a sestiuhelniky. Na objevu se rozhodujicim zpusobem podilela trojice R. Curl, H. Kroto a R. Smalley. Prace jim trvala deset dni, na ktere Kroto do texaskeho Houstonu prijel z Anglie. V roce 1996 pak za objev fullerenu tato trojice obdrzela Nobelovu cenu za chemii. Ovsem v tom roce 1985 a pak jeste dalsich pet let byly ty fullereny pripravitelne jen v plynne fazi. Hned ze zacatku se ale tez vedelo, ze mohou tvorit slouceniny s kovy, prvni takova byla s lanthanem. Melo se za to, ze ten kov je uvnitr mnostenu, a aby se to odlisilo od jinych sloucenin, tak se proto zavedlo oznaceni La@C60 (patrna analogie se strukturou emailove adresy – emailovani tehdy zrovna zacinalo).
Tak se stalo, ze jsem pro ty rozklady, jak zkoumat molekulovou elektroniku v Cechach, v tom r. 1988 prisel s navrhem, ze by se proto mely vyuzit fullereny. Na nejake podlozce se vytvori jednomolekulova vrstva nejakeho fullerenu Me@Cn (ktery to bude kov, a kolik atomu uhliku n, to by vyslo az z dalsich vyzkumu, jinak by nebylo co zkoumat). Jmenovite by melo jit o takovy fulleren, ze ten atom bude mimo stred, takze tim bude dana moznost pro existenci dvou isomeru. Jakmile je fulleren ukotven na podlozce, jsou ty dva isomery dobre rozliseny, neb jednou je atom kovu dosti blizko a podruhe dosti daleko od te podlozky, a tim tedy bude uskutecnena nula a jednicka. Zatimco to uchyceni na nejakem povrchu by s vlastni funkci u fullerenu nemelo nejak nepriznive interferovat, mel jsem jiste pochybnosti, zda by k tomu nedochazelo treba u tech cis-trans isomeru.

To prehazovani atomu kovu z jednoho energetickeho minima uvnitr fullerenu do minima druheho a naopak by se melo obstaravat vhodnym dodanim vhodne velke energie, coz take melo vyplynout az z dalsich vyzkumu. Vec jsem prednesl na vedecke rade ustavu svolane zvlast pro projekt molekulove elektroniky. Bylo zjevne, ze jeji clenove slysi o fullerenech poprve v zivote, tak jsme jim to radsi moc nestezoval prehnanym zduraznovanim faktu, ze fullereny zatim existuji jen v plynne fazi (neb jsem si byl jist, ze jejich priprava v tuhe fazi je otazkou kratkeho casu). K tomu skutecne pak doslo po dvou letech, v lete 1990, a to zasluhou dvou fyziku – W. Kraetschmera a D. Huffmana (kteri jsou zatim na Nobelovu cenu jen v poradi).
Fullereny se objevily zrovna v dobe, kdy se zacaly formulovat prakticke koncepce nanotechnologii. K tomu byla v r. 1992 svolana i prva mezinarodni konference o nanotechnologiich do Tokia. R. Smalley tam prednesl historicky prukopnicky navrh, ze idealnim agentem pro molekulove nanotechnologie jsou prave fullerenove struktury.
Navic, v r. 1991 doslo k dalsimu vyznacnemu rozsireni objektu fullerenove vedy. Japonec S. Iijima ukazal, ze velmi podobnym zpusobem jako samotne fullereny lze pripravit i jiste jejich zobecneni, tzv. nanotrubky. Jsou to velmi dlouhe a uzke ciste uhlikate trubky, tvorene velkym mnozstvim sestiuhelniku, a tez nekolika petiuhelniky. Nanotrubky mohou vykazovat mechanickou pevnost i 50 az 100-krat vyssi, nez podstatne tezsi ocel. Mohou vest elektricky proud jako kovy, a teplo jako diamant. A tak na konferenci v Bostonu v r. 1998 R. Smalley vyhlasil formuli, ze nikdy predtim nebyl k dispozici lepsi material, a dost pravdepodobne ani nikdy v budoucnu uz lepsi material nepripravime.
V nasich souvislostech je zvlast podstatne, ze nektere nanotrubky mohou fungovat jako molekularni tranzistor, t.j., maji stejny typ zavislosti proudu na napeti jako makroskopicke tranzistory. Noveji se ale ukazalo, ze i samotne fullereny mohou slouzit jako molekulove tranzistory. Tato zjisteni samozrejme dale posililo pozici fullerenu a nanotrubek jako agentu molekulove elektroniky. U nanotrubek je ovsem zatim nezvladnuta produkce nejakeho zvoleneho uniformniho typu. Vysledkem je tak vzdy pestra smes ruznych nanotrubek. Z toho duvodu dnes dochazi k jiste opetovne preferenci fullerenu. Vedle molekulovych pameti zalozenych na endohedralnich fullerenech Me@Cn s inkludovanym atomem kovu (moznost studovana napriklad v laboratorich IBM) se tez pracuje na pouziti fullerenu s inkludovanym atomem dusiku N@C60 (Ustav Hahna a Meitnerove v Berline).
Krom techto moznych aplikaci v molekularni elektronice fullereny jsou tez zive zkoumany pro svou supravodivost (nyni do 117 K) a magnetismus (nyni do 500 K). Krom toho byly pripraveny stovky chemickych derivatu fullerenu a nanotrubek, nektere zkousene jako leky proti rakovine, AIDSu, cevnim zmenam, atd. C60 tez umoznuje produkci materialu, ktery zanechava ryhy v diamantu (ergo, je to momentalne nejtvrdsi zname species).

A jak se tehdy dal vyvijela molekulova elektronika v Cechach? V letech 1988/89 vznikly ruzne rozvahy a zmizely k posouzeni smerem na Presidium CSAV. Se zanikem Presidia CSAV byly zrejme zkartovany jako omyly minulosti. I kdyz puvodni projekt molekulove elektroniky byl anihilovan, aspon nektere vyzkumy pokracovaly dal. Treba Dr. Nespurek je aktivni na UMCH AVCR v oboru zajimavych elektronovych jevu na polymerech a ve vyvoji tzv. synthetickych kovu. Ani stran nanotechnologii jiste jeste nepadlo v Cechach posledni slovo. Naopak, Akademie ved CR vydala nedavno svou koncepci pro zacatek 21. stoleti. Tentokrat to neni horizont do a pres rok 2010, spis tak do r. 2005. I jal jsem se v ni hledat to buzz-word NANO, a nalezl Heureka!! Pravda, zatim jenom jednou, jmenovite v tomto tajemnem spojeni: … a zákon o zaměstnanosti (167/99 Sb.) … Dovolil bych si nyni IMHO nadhodit vizi, ze uz v roce 2005 se pristi prognoza temi nanotechnologiemi bude hemzit prece jen o poznani vice …..

Takze za ctyri roky budeme mit moznost zjistit, zda se tato vize naplnila ci dokonce preplnila, jako ta predpoved z r. 1988, ze fullereny budou zahy zapojeny do konstrukci molekularnich pameti (IMHO, to tehdy byla prognosticka trefa do cerneho). Anyhow, svetovy rozvoj nanotechnologii bude jiste uspesne pokracovat i bez ceske ucasti, ale pro nas navrat do Evropy by ignorovani nanotechnologii urcite nejlepsi strategii nebylo.

Poznámka redakce: Názory uveřejněné v rubrice dopisy a takto označené nevyjadřují stanovisko redakce.

autor Zdeněk Slanina