Bouwen in een kleine wereld.

Echte racemonsters, die bacteriën. Met hun zweephaartjes bereiken ze een snelheid van circa vijftien keer hun lichaamslengte per seconde. Te voet redt de mens dat lang niet. Een pittige auto kan het wel, maar vijftien keer de lengte van een auto per seconde is al gauw tweehonderd kilometer per uur!

Ook in andere opzichten lijkt een bacterie meer op een vliegtuig dan op een auto. Aan de voorkant zit een zweephaartje dat werkt als een propeller, aan gedreven door een motor waarvan de as maar liefst 18.000 omwentelingen per minuut maakt. De motor is wonderlijk sterk en klein. Als we een bacterie opblazen tot de afmetingen van een auto heeft zijn motor een doorsnee van slechts vijf centimeter - een verhouding tussen kracht en afmetingen die onze techniek alleen met gasturbines en raketten kan evenaren. En de werkelijke doorsnede van het motortje is slechts 25 nanometer, 25 miljoenste millimeter.

De techniek van het kleine biedt fantastische mogelijkheden. Elektronica gaf ons een voorproefje. 'Chips' bevatten honderdduizenden transistors die per stuk haast niets meer kosten. Zonder microtechniek geen CD-speler, geen walkman en zeker geen bureaucomputer.

De transistors en andere onderdelen op een chip worden niet stuk voor stuk gemaakt. Ze ontstaan vrijwel gelijktijdig, in een proces dat enigszins doet denken aan fotografie en druktechniek. Bewegende delen zou je niet verwachten. Maar ze zijn er wel. Bijvoorbeeld luchtdruksensors in de vorm van een luchtledig kamertje in de chip, afgesloten door een vliesdun silicium schijfje. Elektronische onderdelen op het schijfje veranderen van waarde naarmate ze meer of minder door buigen onder druk van de buitenlucht.

In het laboratorium van de universiteit van Boston probeert onderzoeker Johannes Smits letterlijk de volgende stap te zetten. Zijn droom is een chip op zes pootjes.

Smits is een expert op het gebied van piëzo-elektrische materialen, zoals kwarts en zinkoxyde. Onder invloed van een elektrische spanning veranderen deze stoffen van vorm. Trillend kwarts zorgt In een modern horloge voor de juiste tijd en voor de bekende piepgeluiden. In twee jaar noeste arbeid heeft Smits een proces van tweehonderd stappen ontwikkeld voor het maken van zinkoxyde pootjes, elk dunner dan een mensenhaar en in staat om negentig graden te buigen onder invloed van een kleine elektrische spanning. Hij kreeg er patent op en hoopt in de komende twee jaar het prototype van een complete robot te bouwen. Een microprocessor, geheugen, een zonnecel voor energie, een microfoon om instructies op te vangen, pootjes om te kunnen lopen en een piëzo-elektrische grijper als gereedschap - alles op en aan een enkele chip.

Geproduceerd in grote aantallen zou de robotmier van Smits net zo goedkoop worden als andere chips. Maar wat is het nut? Denk eens aan robotmieren, geprogrammeerd om grassprieten at te knippen op een vaste lengte. Laat ze los op het gazon en je hoeft nooit meer het gras te maaien. Als hun werkterrein wordt afgebakend met bijvoorbeeld een zwak elektromagnetisch veld van een bepaalde frequentie hoeven de robots niet bijzonder intelligent te zijn. Binnen het veld kunnen ze alles te lijf geen wat lijkt op gras en meer dan een paar centimeter hoog groeit, daarbuiten zullen ze eenvoudig stoppen.

Smits' ideeën gaan nog veel verder. "Je kunt legers robotmieren loslaten in landbouwgebied, om af te rekenen met schadelijke insekten," zegt hij. "Of ze uitrusten met kleine videocamera's voor de Inspectie van pijpleidingen." Een robotmier met video-ogen is misschien ook een goede spion. lnfraroodzoekers (reagerend op lichaamswarmte) en een kleine giftige angel maken er zelfs een dodelijk wapen van. Geleide projectielen kunnen in een toekomstige oorlog miljoenen robotmieren laten neerdalen op troepenconcentraties achter het front. Met of zonder pootjes, een chip blijft microtechniek, in vergelijking met een bacterie nog heel groot. En juist daardoor beperkt in zijn mogelijkheden. Lang voor de uitvinding van de microprocessor ging de natuurkundige Richard Feynman in gedachten al heel wat verder. Onze techniek zal steeds kleinere bouwstenen gebruiken, zei hij tijdens een lezing in 1959. "Uiteindelijk - in de verre toekomst - zullen we misschien werken met de atomen zelf Wat zal er gebeuren als we atomen een voor een naar willekeur gaan rangschikken?"

Losse atomen gedragen zich volgens de wetten van de quantummechanica, totaal anders dan materie op zichtbare of zelfs microscopische schaal. Feynman voorspelde materialen met elke gewenste combinatie van eigenschappen, een quantumopvolger van de elektronica, en heel andere vormen van fabricage. Ik ben geïnspireerd door biologische verschijnselen," zei hij, "chemische krachten die op een zichzelf herhalende manier worden gebruikt en allerlei vreemde resultaten bereiken. Een daarvan ben ik zelf."

In 1981 kwam Feynmans verre toekomst een stuk dichterbij. Op het beeldscherm van hun rastertunnelmicroscoop (RTM) zagen Heinrich Roher en Gerd Binnig voor het eerst de omtrek van afzonderlijke atomen. De RTM werkt heel direct; het oppervlak van een te bestuderen object wordt afgetast met een scherpe naald. Onder gunstige omstandigheden bestaat de punt uit slechts een atoom, die piëzo-elektrisch heel nauwkeurig binnen enkele nanometers van het oppervlak wordt gestuurd. Onder invloed van een kleine elektrische spanning komt een stroompje elektronen op gang tussen naald en object. Wordt de afstand een halve atoomdoorsnee groter, dan neemt de stroomsterkte af met een factor tien. Een computer stuurt de naald, houdt de gemeten stroomsterkten bij en maakt een 'hoogtekaart'. Kijken door een sterk vergrotende lens lijkt eenvoudiger. Maar licht bestaat uit elektromagnetische golven die veel te groot zijn voor waarneming op atomaire schaal. Zoals lange radiogolven om een flatgebouw heengaan, spoelt het licht over details gevormd door duizenden atomen. Een elektronenmicroscoop komt een stuk verder. Maar de hagel van snelle elektronen dringt vaak te diep in het object om details van het oppervlak zichtbaar te maken en veroorzaakt schade. Je zou het niet verwachten, maar de mechanische naald van een RTM is veel scherper dan licht en veel subtieler dan een elektronenkanon.

Bovendien is de naald een bruikbaar stuk gereedschap. In 1990 plaatste Don Elgier met de tip van een RTM in totaal 35 xenon-atomen een voor een op een stukje nikkel). Samen vormden ze drie letters, elk vijf nanometer hoog. de naam van zijn werkgever IBM was goed leesbaar - met de microscoop. Want een lettertje van vijf nanometer is heel klein. de Encyclopedia Britannica bestaat uit circa 40.000 pagina's. Gebruiken we de letter van Elgier om dat werk te drukken, dan past het in z'n geheel op een vierkant met zijden van een tiende millimeter. Niet moor dan een amper zichtbaar stofje. Elgiers reclamebord is nanotechniek, maar nog heel primitief. Voor het echte werk zijn uiterst kleine automatische fabrieken nodig, die grote aantallen verschillende atomen op de gewenste plaats kunnen monteren. Als we nu praten over synthetische materialen en fabricage van eindprodukten, dan gaat het over tamelijk grove techniek. Er wordt verhit, gedistilleerd, gemengd, gecondenseerd, opgedampt, gewalst, en gegoten. Wat eruit komt lijkt op atomaire schaal nog sterk op de grondstoffen waarmee het proces begon. Nanofabriekjes zouden heel andere mogelijkheden bieden.

Voorstelbaar is een keukenmachine van de toekomst: de vleesmachine. Zoals als een doos met vloeistof waarin miljarden Nanofabriekjes rond Zwemmen. Gooi erin wat voorhanden is, gemaaid 'gras, ander tuinafval. Sluit de doos, open hem weer na een uur of wat en presto! Een sappige biefstuk gereed voor consumptie.

Zulke visioenen worden met veel enthousiasme gepresenteerd door de Amerikaanse onderzoeker Erik Drexler. de meeste van zijn collega's vinden hem een dromer, maar intussen werken ze hard aan meer alledaagse danstechniek, zoals uiterst compacte informatiesystemen. En de vleesmachine is beslist niet onmogelijk. Een koe doet immers precies hetzelfde. Gras, water en zonlicht veranderen volautomatisch in biefstuk, dank zij micro-organismen, enzymen, DNA-moleculen en andere natuurlijke nanofabriekjes onder de motorkap van de koe. de vleesmachine wordt alleen maar simpeler, snellor en liefst minder kieskeurig wat grondstoffen betreft. Denk ook eens aan bier, kaas en yoghurt. Produktie in vaten en ketels, uit gevoerd door natuurlijke nanofabriekjes - die we met genetisch sleutelwerk hebben verbouwd om andere stoffen te maken. Gevorderde nanotechnologen hoeven zich niet te beperken tot kleine variaties op een natuurlijk thema. Nanofabriekjes bouwen in principe net zo makkelijk een raketmotor als een slotstuk. Ze kunnen auto's maken en de oude tot op de laatste atoom als grondstof gebruiken. Ook een medische revolutie is denkbaar. Wie straks een arm kwijtraakt in een verkeersongeluk, laat zich door nanofabriekjes een nieuwe aanmeten. Mensen van de toekomst zouden zelfs permanent nanofabriekjes in hun bloedbaan kunnen hebben, om af te rekenen met ziekte en slijtage. Uiteraard kunnen vele miljarden nanofabriekjes niet elk afzonderlijk worden gefabriceerd, zoals auto's of broodroosters. Zelfs de microtechnische aanpak - waarbij honderden van Smits' robotmieren tegelijk op een enkele schijf silicium ontstaan - schiet tekort. De vleesmachine heeft alleen praktische waarde als hij net als een koe zichzelf in elkaar zet, zichzelf kan vermenigvuldigen. Zoiets kan fantastisch uit de hand lopen. Draaiboek voor een nachtmerrie. vleesmachine mee op vakantie. Prettig, altijd een verse biefstuk bij de hand, ook in de vrije natuur. Vleesmachine valt stuk. Nanofabriekjes slaan op hol. het bos verandert in biefstuk, dorpen en steden verdwijnen onder een drillende berg eerste kwaliteit vlees...

Niet echt aannemelijk, maar ziekteverwekkende bacteriën en virussen zijn ook nanofabriekjes. de macht van het kleine heeft goede en kwade kanten. Maar dat geldt voor alles, het is geen argument om vernieuwing tegen te houden. Hoe lang nog voor we onze eigen nanomachinerie kunnen ontwerpen?

Bedenken aan welke eisen het apparaat moot voldoen. Rekenen, tekenen, tot het ontwerp klaar is. Misschien nog een prototype, hier en daar een kleine wijziging en het ontwerp is productierijp. Zo maken we onze machines. Een logische aanpak. We kunnen geen betere, eigenlijk zelfs geen andere. de methode van ontwerp en produktie heeft echter geen vat op machines die zichzelf bouwen. Neem een boomzaadje. Als op aarde geen bomen groeiden en we hadden behoefte aan hout, dan zouden nanotechnici zoiets als een boomzaadje willen ontworpen. Een prachtig nanofabriekje dat binnen afzienbare tijd miljoenen kubieke meters hout produceert. Maar het gedrag van een boomzaadje is alleen voorspelbaar voor wie er al eens eerder een boom uit te voorschijn heeft zien komen. De functie van de genetische nanomachines die alle celdelingen, gespecialiseerde cellen en constructies zoals wortels, stam, takken, bladeren en nieuwe zaadjes veroorzaakt, laat zich niet van tevoren beredeneren. Het is geen kwestie van moeilijkheidsgraad, maar van wiskundig bewezen onmogelijkheid. Zulke nanomachines worden het snelst voortgebracht door een gestuurde evolutie; begin met een generatie kanshebbers, kruis de informatie van de meest succesvolle exemplaren op een willekeurige manier, test de volgende generatie, enzovoort. Het maken van zich vermenigvuldigende nanofabriekjes staat met andere woorden gelijk aan het maken van leven. Als het ooit lukt, betekent het zonder twijfel een waardig einde van het industriële tijdperk.

Door : S t e v e n _ B o l t
Een artikel uit de : K I J K


Terug