Atomen zijn precies legoblokjes. Er zijn ongever negentig niet-radioactieve soorten, die, op de juiste wijze aan elkaar geplakt, alles in deze wereld kunnen vormen. 3D printers zijn de voorloper van wat pas echt spectaculaire mogelijkheden biedt: de nanoprinter. Eric K. Drexler, de visionaire denker die de grondslag legde voor nanotechnologie als begrip, visualiseerde in samenwerking met een filmstudio hoe dit apparaat van de toekomst er uit gaat zien.
Overal ter wereld zijn technici al bezig om alle tussenstappen die hierin worden getoond, realiteit te maken. De atomen willen wel, als we ze maar op de juiste plaats brengen. Met deze nanopprinter kan dat in de wat verdere toekomst.
Dit kerkje is opgebouwd uit enkele miljarden losse atomen.
Zou jij een medicijn gebruiken, dat het gevaar in zich heeft je meer fundamenteel te veranderen dan je lief is? In een achterbuurt van een toekomstige stad kiest een zwaargewonde man voor een experimentele nanodrug. Microscopisch kleine nanorobotjes slaan aan het verbouwen. De gevolgen zijn ingrijpend…
Filmmaker Patrick Kalyn laat in deze minifilm zijn meesterschap zien wat betreft special effects. Hopelijk zal het hem lukken nom voldoende sponsors te vinden om dit spectaculaire filmidee uit te bouwen tot een volwaardige speelfilm.
Wil je nog verder leven als het medicijn je verandert in iets onmenselijks?
Nanotechnologie, het vermogen om materie atoom voor atoom te manipuleren, zal ons rijker maken dan ooit. Dat voorspelt Eric Drexler in deze TED lezing.
Als we in staat zijn individuele atomen te manipuleren zoals we dat nu met micrometers grote dingen doen, zijn de gevolgen enorm. We zullen dan bijvoorbeeld in staat zijn het vermogen van een computer nu in een volume van een zandkorrel of kleiner te stoppen, of de replicator van Star Trek, een soort universele fabricagemachine, werkelijkheid te laten worden. Een mens zal met deze rijkdom ongeveer een miljoen maal zo rijk zijn als nu. We kunnen een miljoen maal zoveel functionaliteit uit dezelfde atomen halen als nu. Aldus nanovisionair Eric Drexler, die de nieuwste uitwerking van zijn ideeën presenteert op de TED conferentie. Drexler verwierf eerder al bekendheid als schrijver van het visionaire boek Engines of Creation, waarin hij de mogelijkheden voor het werken op nanoniveau beschreef.
Eric Drexler voorspelde in navolging van topnatuurkundige Feynman dat nanotechnologie een miljoenvoudige vergroting van onze mogelijkheden betekent.
Persoonlijk denk ik dat er één bottleneck blijft, als we echt extreem veel veranderingen op atoomschaal gaan doorvoeren. Energie, en als we dat probleem oplossen, bijvoorbeeld door een nog onbekende exotische energiebron af te tappen, het dumpen van afvalwarmte. Overigens heeft zonne-energie, waarvan de snelle groei voor een belangrijk deel op nanofabricageprocessen berust, al voor een groot deel een einde gemaakt aan het energietekort. Maar onderschat niet hoeveel energie het kost om dingen atoom voor atoom op te bouwen.
Aan de andere kant: nanotechnologie zal ons van een legertje werkmieren voorzien die bijvoorbeeld afval veel slimmer, dus met minder energieverspilling, kunnen verwerken dan wij nu doen en hiermee de energie-efficiëntie drastisch verhogen. Zo ook nieuwe nanomaterialen die veel zuiniger machines en duurzamer producten opleveren dan we nu hebben. Toch zal per saldo het volledig benutten van het nanopotentieel een veel hogere afvalwarmteproductie met zich meebrengen dan nu het geval is.
Desondanks is per saldo een duizelingwekkende toename van welvaart onvermijdelijk. Het nieuws voor de langere termijn blijft dus goed. De wereld zal veel rijker worden dan nu. Deze rijkdom zal wel ter beschikking moeten komen van alle goedwillende leden van de mensheid.
Veel ziekten worden veroorzaakt door kleine defecten in DNA, de lange genetische codes dragende moleculen in de menselijke celkern. Nanorobots, als ze tenminste voldoende geavanceerd zijn, zijn in principe in staat deze te repareren, bijvoorbeeld door een verkeerd geplaatste nucleotide te vervangen door het juiste nucleotide. Hieronder het proces zoals het zou kunnen plaatsvinden.
Al miljarden jaren bestaan er ribosomen, biologische RNA-lezende nanorobots. Dat er in de natuur al effectieve nanorobots bestaan, toont aan dat deze techniek krachtig is en in de toekomst veel afschuwelijke ziekten structureel kan genezen.
Vergeleken met silicium is koolstof buigzamer, goedkoper en zuiniger. Voor het eerst zijn nu berekeningen uitgevoerd met een computer, inclusief operating system, die geheel is opgebouwd uit koolstofelementen op nanoschaal. Wat zijn de gevolgen?
Transistoren op nanoschaal
Met de ontdekking van de moleculaire voetbal fullereen brak de koolstofrevolutie los. Een van de meest opwindende ontdekkingen is dat koolstofatomen minuscule pijpjes kunnen vormen, koolstofnanobuisjes, die al naar gelang de configuratie van de koolstofatomen zich kunnen gedragen als elektrische geleiders of halfgeleiders. Halfgeleiders zijn een essentieel onderdeel van elektrische digitale computers: een halfgeleider kan namelijk gebruikt worden als schakelaar. Geen wonder dus dat veel onderzoeksgroepen proberen werkende onderdelen van computers te bouwen met de minuscule koolstofstructuren. Hiermee kunnen veel snellere en zuiniger computers worden gebouwd dan die we nu gebruiken.
Koolstofnanobuisjes: voor het eerst is er een complexe schakeling gebouwd. bron: washington.edu
178 nanobuisjes
Door een groep Californische onderzoekers is nu een functionerende computer uit koolstofnanobuisjes gebouwd, bestaande uit 178 transistors. Dit is niet veel vergeleken met de miljarden transistoren die in moderne computers voorkomen. Ook zijn er al eerder computers van andere materialen dan silicium gebouwd. wat deze prestatie uniek maakt is dat het gebeurd is met koolstofnanobuisjes, een materiaal waarvan veel onderzoekers eerder zeiden dat het onmogelijk was er complexe structuren van te bouwen. Dit is de eigenlijke doorbraak. Insiders denken dat dit wel eens even belangrijk zijn als de overstap van radiobuizen naar silicium elektronica. Deze eerdere revolutie leidde tot het verkleinen van computers van het formaat van een huis tot het formaat van een smartphone.
Doorbraak: voor het eerst complexe structuur van koolstofnanobuisjes
De leiders van het onderzoeksteam, Subhasish Mitra en Philip Wong van Stanford University noemen het “een simpele, maar bepaald niet triviale” computer.
Ook de ontdekkers van de koolstofnanotransistoren, Cees Dekker en zijn groep onderzoekers van de Technische Universiteit Delft, zijn erg te spreken over de ontdekking. Dekker is blij na 15 jaar zijn ontdekking praktisch toegepast te zien.
De elektrische eigenschappen van koolstofnanobuisjes maken ze snellere en efficiëntere transistoren, volgens het bronartikel met meer dan een orde van grootte (factor tien). Transistoren kunnen een andere elektrische stroom afsluiten als ze een elektrisch signaal krijgen. Helaas zijn deze objecten op nanoschaal lastig te manipuleren, wat velen zich af deed vragen of het ooit mogelijk zou worden ze efficiënt te benutten. Omdat ze zo klein zijn kunnen nanobuisjes gemakkelijk van hun plaats schieten waardoor kortsluiting ontstaat. Mitra en zijn collega’s lossen dit probleem op door de buisjes te laten groeien op een wafel van kwarts, waarop 99,5% van de buisjes de kristalstructuur van de wafel van quarks volgden. Hierna etsten de onderzoekers alle buisjes weg die verkeerd lagen.
De volgende stap was het aansluiten van een hoge spanning. Hierdoor werden alle normaal geleidende, metallische, buisjes doorgebrand.
Optellen en sorteren
Zodra het team een werkende chip had gebouwd, programmeerden de onderzoekers dit om een optelprogrammaatje en een sorteeralgoritme uit te voeren. De computer kan tussen de twee programma’s heen en weer schakelen waardoor het kan multitasken, net zoals moderne computers. Het basisontwerp is Turing-compleet: dit betekent dat in staat is iedere berekening die een andere Turing-complete computer (zoals de computers die wij uit het dagelijks leven kennen) uit kan voeren, ook uit te voeren (uiteraard doorgaans op een andere snelheid). Erg snel is de computer niet: 1 kHz. Dit is miljoenen malen langzamer dan moderne desktop computers die met gemak een gigahertz halen. Dit komt echter omdat dit computertje verbonden is met experimentele apparatuur die het afremt. Zou deze verdwijnen, dan zou het computertje met gemak de kloksnelheid van bestaande computers kloppen.
Ook na de ontdekking van Mitra en de zijnen van een methode om de koolstofnanobuisjes netjes op een lijn te krijgen, blijft de productie van koolstofchips lastig. Waarnemers denken daarom dat vooral supercomputers van bijvoorbeeld Google en de NSA baat zullen hebben van deze nieuwe techniek. Totdat uiteraard iemand een methode uitvindt om koolstofnanotechnologie in grote oplage te kunnen produceren…
Je gelooft je ogen niet bij deze video. Dit materiaal is zo extreem hydrofoob dat er geen druppel water of vet op bijft liggen. Handschoenen in de modder komen er zonder een spatje vanaf. Een recente doorbraak op het gebied van nanotechnologie.
Je kan aan tientallen toepassingen denken, variërend van waterwerende schoenen tot ultralichtgewicht reddingsboten. Ik durf te wedden dat nu overal in de industriële sector al wordt nagedacht over nuttige toepassingen voor dit spul. Zo vermindert dit de stromingsweerstand in buizen enorm. De “no slip condition” uity de vloeistofdynamica eist dat de vloeistofmoleculen op de grens van vloeistof en buis stil blijven staan. Met dit goedje aan de binnenkant van de buis is dat probleem finaal over.
Voor de uitvinders en knutselaars onder jullie: het spul, verkocht onder de merknaam Ultra Ever Dry, is te bestellen voor mensen met een eigen bedrijfje in de webshop van het bedrijf. Wees voorzichtig, het is NIET goedgekeurd voor gebruik met consumenten dus vermijd voor alle zekerheid contact met etenswaren of huid.
De kristallen in de video hieronder springen afstanden tot duizend maal hun lengte. De energiebron: UV-licht. Hebben we nu eindelijk een geschikte motor voor nanomachientjes gevonden? Een aantal onderzoekers van New York University denkt van wel.
Een van de grootste hinderpalen voor de doorbraak van actieve nanotechnologie is het gecompliceerde vraagstuk van de voortbeweging en aansturing van nanomachines. Ontwerpen die in het dagelijkse leven goed werken, functioneren op nanoschaal vaak niet meer. Onder meer omdat kwantumeffecten roet in het eten gooien en de materiaaleigenschappen op zeer kleine schaal sterk veranderen. Dit geldt onder meer voor elektromotoren, die de krachtbron vormen van de meeste apparaten op menselijke schaal.
Pance Naumov van New York State University, vestiging Abu Dhabi, ontdekte in 2010 dat licht op bepaalde kristallen merkwaardige effecten had. Kristallen van een bepaald groen fluorescerend eiwit bogen onder de invloed van zwakke belichting meer dan negentig graden. Hij besloot er met zijn collega’s in te duiken. Kristallen met Co(NH3)5(NO2)]Cl(NO3), een complex zout bestaande uit kobalt-, ammonium-, nitriet-, chloride- en nitraationen, bleken nog veel feller op licht te reageren. Het effect lijkt veroorzaakt te worden doordat UV-licht verstoringen in de kristallen aanbrengt, die zich ophopen en op een gegeven moment explosief ontladen. Een sterke stralingsintensiteit laat de kristallen al binnen enkele seconden springen, bij een zwakke UV-belichting duurt dit rond de 20 seconden. Bij sommige kristallen leidt dit zelfs tot het uiteenspatten. De onderzoekers verwachten dat dit mechanisme gebruikt kan worden om zeer kleine machines mee aan te drijven. Met andere woorden: ze kunnen werken als een kunstmatige spier.
Hoe zou de wereld er uit zien als schaarste geen issue meer was en we alles wat we maar willen uit afvalstoffen kunnen maken? Met andere woorden, dat we over een soort lego zouden kunnen beschikken waarmee we alles kunnen maken dat we maar willen, en overvloedige energie? In deze korte videoclip van de Amerikaanse publieke omroep worden de kernconcepten van de post-scarcity economie uit de doeken gedaan.
Het goede nieuws: dat lego is er al: atomen. Onze materie bestaat uit bijna honderd verschillende soorten atomaire legoblokjes, die in vaak zeer ingewikkelde structuren aan andere atomen kunnen worden geplakt. Ons enige probleem: daarvoor hebben we apparatuur, m.a.w. informatie, en energie nodig. Ook deze energie is er in de vorm van zonlicht vrijwel onbeperkt. Vandaar dat veel mensen met een natuurwetenschappelijke achtergrond, waaronder ikzelf, denken dat de beperkende factor niet zozeer gebrek aan hulpbronnen of energie is, maar gebrek aan kennis om deze te benutten. Kennis die er nu in hoog tempo komt.
De atomen willen wel, maar structuren op nanoschaal bouwen is extreem lastig. Een oplossing voor dit technische probleem is bijvoorbeeld te kiezen voor nanostructuren die zichzelf in elkaar zetten. Overal ter wereld wordt dan ook onderzoek gedaan naar deze techniek.
Het Amerikaanse Argonne National Lab heeft deze video gemaakt van nano-gouddeeltjes die zichzelf in elkaar zetten tot grotere, van tevoren geplande structuren.
Deze techniek maakt gebruik van blaasjes met gouddeeltjes, omgeven door een positief geladen coating. Deze worden bestraald met elektronen, die door hun negatieve lading aangetrokken worden door de blaasjes. Hierdoor werd de ladingverdeling van de nanodeeltjes meer neutraal en begonnen ze elkaar aan te trekken. het resultaat is de vorming van ketens, die wel wat weghebben van polymeerketens in de chemie. Dit is voor het eerst dat het real-time gedrag van nanodeeltjes kon worden gevolgd.
Onderzoekers van de TU Delft haalden het wereldnieuws met de ontdekking van een pseudo-Majorana fermion. Wat hebben ze precies ontdekt, en wat is de betekenis?
Bosonen en fermionen Er zijn verschillende manieren om elementaire deeltjes in te delen. Eén van de nuttigste is die in bosonen en fermionen.
Bosonen zijn gemakkelijk op elkaar te proppen en kunnen ook een kwantumcondensaat vormen. Bosonen zijn deeltjes met een heeltallige spin, een kwantumeigenschap die heel iets weg heeft van draairichting. Fermionen hebben een halftallige spin. Fotonen, lichtdeeltjes, bijvoorbeeld, hebben een spin van 2, een geheel getal, en zijn dus bosonen.
Ettore Majorana voorspelde het bestaan van een fermion dat zichzelf kon vernietigen. Zelf verdween hij in 1938 spoorloos.
Elektronen hebben een spin van 1/2 en zijn daarmee fermionen. Twee fermionen kunnen een paar vormen en gedragen zich dan als bosonen. Zo kunnen paren helium-3 atomen toch een supervloeistof vormen (iets dat alleen bosonen kunnen), terwijl een helium-3 atoom een oneven aantal fermionen bevat en dus een fermion is. Elektronen vormen zogeheten Cooperparen in een supergeleider en vormen zo een ‘supervloeistof’ van bosonische Cooperparen.
Antideeltjes en Majoranadeeltjes
Elk deeltje heeft een antideeltje. Een antideeltje kan je zien als een deeltje dat terug in de tijd reist of als een deeltje waarvan elke eigenschap omgekeerd is, behalve de massa. Zo heeft een anti-elektron (een positron), een positieve i.p.v. negatieve lading, een spin van -1/2 etcetera. Het foton is zijn eigen antideeltje en verder het exotische Z-boson (belangrijk bij sommige kernreacties). Anti-licht bestaat dus niet voorzover we weten (al zou het erg handig zijn).
De streng-katholieke Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana (1906-?), volgens zijn collega Fermi slimmer dan Einstein, voorspelde in 1937 op grond van wiskundige analyse het bestaan van fermionen die hun eigen antideeltje zijn. Deze Majorana-fermionen, deeltjes dus met een ‘gebroken’ spingetal die, net als fotonen en Z-deeltjes, hun eigen antideeltje zijn, zijn tot nu toe nooit ontdekt. Volgens sommige theorieën bestaat de zogeheten donkere materie uit Majorana-fermionen. Als deze elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar. Majorana verdween in 1938 spoorloos, na het schrijven van twee raadselachtige afscheidsbrieven. Zelfmoord? Een nieuw leven in een klooster, zoals een latere biograaf aannam? Of ontvoerd en vermoord, bijvoorbeeld omdat hij teveel wist? Niemand die het weet.
Pseudo-Majoranadeeltjes ontdekt
Wat de Delftse onderzoeksgroep heeft ontdekt zijn geen echte Majoranadeeltjes, maar pseudo-Majoranadeeltjes (of quasideeltjes). Dat zijn groepen deeltjes, in dit geval elektronen, die zich gedragen als enkel deeltje. In de proefopstelling van de Delftse groep werden door een listige opstelling van een nanodraadje en een supergeleidend draadje twee quasi-Majoranadeeltjes gecreëerd. Dit weten we omdat het gedrag van elektronen die door het draadje vloeiden, veranderde en de simpelste verklaring is, dat zich een paar quasi-Majoranadeeltjes vormde.
De proefopstelling. Bron: TU Delft
Waarom toch nuttig?
Niet-bestaande deeltjes lijken op het eerste gezicht niet erg nuttig. Toch zijn deze pseudodeeltjes om twee redenen erg bruikbaar (al is het hallelujageroep, inclusief spculaties over een Nobelprijs, ietwat overdreven). Ten eerste zijn hiermee allerlei experimenten te doen, die een indruk kunnen geven hoe ‘echte’ Majoranadeeltjes (als ze bestaan) zich gedragen. Zo kunnen deeltjesfysici en astronomen gerichter zoeken naar sporen van elementaire Majoranadeeltjes.
Van meer direct praktisch nut is de toepassing van deze pseudodeeltjes in een kwantumcomputer. Gedacht wordt dat deze minder gevoelig zullen zijn voor verstoringen, en dus het weglekken van de kwantuminformatie, dan qubits bestaande uit elementaire deeltjes. Klopt dit, dan zouden werkende kwantumcomputers realiteit kunnen worden. Kwantumcomputers kunnen enkele typen berekeningen veel sneller uitvoeren dan bestaande computers.
