Nano bez złudzeń: dlaczego przyszłość wciąż nie chce się skalować

Skalowalność i powtarzalność to jedne z głównych problemów w rozwoju nanotechnologii. Jesteśmy w stanie wytwarzać fantastyczne nanostruktury i urządzenia wykorzystujące nanomateriały, ale tylko w laboratorium, w małej skali.

Nanoświat rządzi się swoimi prawami. Nawet doskonałe metody do wytworzenia 10 mg nanocząstek czasem zupełnie zawodzą, gdy chcemy wytworzyć większą ich ilość. Być może postępy w uczeniu maszynowym pomogą rozwiązać te problemy. Zamiast wielomiesięcznych testów w laboratorium, algorytmy mogłyby np. prowadzić symulowane syntezy. A czego się nie da zasymulować, najlepiej byłoby obserwować w czasie rzeczywistym.

W starej kreskówce „Magiczny autobus” bohaterowie mogli się zmniejszać do rozmiaru atomu, by takie właśnie widowiska oglądać osobiście. Naukowcy również nauczyli się to robić – dzięki mikroskopii w fazie ciekłej. Oglądają, jak rośnie kryształ o średnicy 50 nm. Świetnie byłoby badać w ten sposób także właściwości chemiczne. To wymaga jednak innych technik w fazie ciekłej, np. mikroskopii rentgenowskiej. Rodzi się więc tzw. mikroskopia korelacyjna, strategia złożona technicznie i kosztowna, ale bardzo ceniona przez naukowców.

Symulacje prowadzone za pomocą narzędzi AI pozwalają lepiej rozumieć fundamentalne procesy fizyczne i chemiczne. Istnieje wiele metod modelowania, ale są one czasochłonne i skomplikowane (niektóre obliczenia trwają miesiącami), a użycie AI może je przyspieszyć. Algorytmy odegrają też ważną rolę w przeglądaniu, porządkowaniu i analizie ogromu danych eksperymentalnych, czynnościom stanowiącym koszmarnie czasochłonną część życia każdego eksperymentatora.

Wiele obietnic niosą ze sobą materiały samo naprawiające. Wiemy już, jak je projektować, teraz trzeba się skupić na rozwoju. Gdyby to się udało, moglibyśmy wytwarzać powłoki regenerujące się w mgnieniu oka, niczym nanotechnologiczny pancerz Iron Mana. Jednym z prostszych pomysłów jest osadzanie w materiale kapsułek wypełnionych żywicą. Kiedy pojawia się rysa lub pęknięcie, kapsułki się otwierają, a żywica wypełnia rysę i niweluje uszkodzenie. Ten proces ma swoje niuanse – należy rozważyć odpowiedni dobór materiałów, ładunki elektryczne na powierzchni cząstek i wiele innych. Zastosowania byłyby jednak niezliczone – niedawno pojawiła się np. praca o zastosowaniu takiej powłoki na ogniwach perowskitowych.

Nanomateriały takie jak grafen i kropki kwantowe są już teraz wykorzystywane do rozwoju technologii pamięci nowej generacji. Mowa tu o pamięci oporowej ReRAM oraz pamięci spintronicznej. Gorącym tematem są też memrystory (komponenty elektroniczne, które mogą pełnić jednocześnie funkcję procesora i pamięci) i fotonikę (zamiast elektronów i prądu używamy fotonów i laserów, co zwiększa szybkość i przepustowość danych).

Inną techniką, zakrawającą o fantastykę naukową, są rozwiązania biotechnologiczne, np. magazynowanie danych w DNA. Wymienione strategie zmniejszają koszty i zużycie energii, a jednocześnie podnoszą zagęszczenie danych oraz możliwości obliczeniowe. Rozwój sieci 5G i 6G również mógłby przyspieszyć dzięki elektronice lub fotonice opartej na nanomateriałach.

Nanotechnologia odgrywa dużą rolę w bioinżynierii – rozwoju bioelektroniki ubieralnej i wszczepialnej. Jednym z najważniejszych wyzwań pozostaje ich zasilanie – idealnie by było, gdyby były zasilane przez ciepło i ruch naszych ciał i aktualnie pracuje nad tym wiele grup. Inne wyzwanie to komfort użytkowania. Do tej pory ubieralna elektronika opierała się na folii, ale noszenie folii na skórze nie jest przyjemne. Dlatego teraz bada się nowe podłoża, np. modyfikowany jedwab.

Ogniwa fotowoltaiczne są najbardziej oczywistym przykładem wykorzystania nanomateriałów w energetyce, szczególnie te III generacji. Postępy w fotowoltaice cienkowarstwowej, perowskitowej czy tandemowej nie byłyby możliwe, gdyby nie lata pracy nanotechnologów, podobnie jak postępy w silnikach na wodór lub amoniak. Takie silniki muszą wykorzystywać katalizatory oparte na nanomateriałach, usprawniające reakcję spalania paliwa.

Nanotechnologia stymuluje też rozwój wodorków metali, struktur metalo-organicznych (Nagroda Nobla z tego roku) i innych materiałów użytecznych w magazynowaniu wodoru – niezbędnych w transformacji energetycznej. Nanomateriały lub cienkie warstwy stosuje się też w magazynach energii – bateriach i superkondensatorach. Poprawiają szybkość ładowania i pojemność magazynowania energii i powoli zastępują w przemyśle metale ziem rzadkich.