Moleculaire Nanotechnologie

Een korte introductie

Deze tekst is bedoeld als inleiding tot het nanotechnologie concept. Er zal ter wille van de duidelijkheid, soms wat makkelijk over wetenschappelijke c.q. technische problemen heen worden gestapt. De lezer met kennis van zaken wordt dan ook verzocht, hier niet over te vallen. Bij deze wordt iedereen van harte aangemoedigd om de onderstaande links te volgen en verder zal waar mogelijk verwezen worden naar boeken en artikelen. Deze "nieuwe" revolutie staat in ontzettend veel wetenschappelijke gebieden ter discussie. Dit is ook alleen maar goed, de beloften van deze techniek zijn zo groot, dat we moeten oppassen voor lichtzinnigheid en kritiekloos volgen. Dus nogmaals, wees kritisch en speur verder naar meer en betere informatie.

Om te begrijpen wat nanotechnologie of beter gezegd Moleculaire NanoTechnologie (MNT) inhoudt en vervolgens enige voorstelling te kunnen maken van de mogelijke impact van de techniek beginnen we bij het begin, het atoom. Dit is het kleinste bouwsteentje van de materie, oftewel het meest "elementaire deeltje". Dit is niet echt het kleinste deeltje dat er bekend is, maar daar komen we later nog even op terug. Laten we eerst even afdalen naar het atoom. Stel je voor dat je een stof in stukjes blijft delen:

1. De Zee
2. Een Glas Water
3. Een Druppel Water
4. Een Molecuul Water
5. Twee Waterstof atomen + een zuurstof atoom
6. Neutronen, Protonen, electronen
7. Quarks

Molecuul
Een molecuul is het kleinste deeltje van een stof met nog steeds dezelfde eigenschappen van die stof. Een enkel water molecuul smaakt, beweegt, reageert, etc., nog precies hetzelfde als een glas vol van die dingen. Moleculen zijn voor ons zeer belangrijk ! Water hebben we nodig om te leven, we drinken het in grote hoeveelheden. Waterstof atomen alleen kunnen we niet drinken, en alleen zuurstof atomen kunnen we ook niet drinken. Juist de combinatie van de atomen is zo belangrijk voor ons. Juist de combinatie van waterstof en zuurstof atomen geeft ons het lekkere koele glas "levens"water. Om je voor te stellen hoe klein we nu al bezig zijn: een druppel water bevat meer dan 10^22 moleculen. (10^22 is een 1 met 22 nullen erachter)

Atomen
Zoals het bovenstaande duidelijk maakt, zijn atomen de "Lego™ stenen" van alles, dus ook van watermoleculen. Er zijn ongeveer zo'n 100 van deze bouwsteentjes bekend en ze zijn naar atoomkernlading en gewicht ingedeeld in het periodiek systeem. Het meest belangrijke atoom is koolstof ( C ). Bijna alles van biologische afkomst bevat het koolstof atoom als belangrijkste bouwsteen.

We zijn nu beland op de nanoschaal, dat is 1.000.000.000 keer kleiner dan een meter. Het C atoom heeft de eigenschap dat het met heel veel andere atomen gemakkelijk verbindingen aan kan gaan. Maar niet alleen de verbinding is belangrijk ook de structuur van de verbindingen maakt een groot verschil. De koolstof atomen in het grafiet van een potlood verschillen niet van de koolstof atomen in een diamant. Enkel en alleen de wijze van opbouw van de verbindingen tussen de koolstof atomen bepaalt het verschil !

Ook de mens zelf bestaat voor het grootste deel uit een koolstof verpakking om een aantal liters water.

Atoomkern
Ga je naar nog kleinere afmetingen, dan kom je terecht bij neutronen, protonen en electronen. Atomen bestaan uit een kern opgebouwd uit neutronen en protonen, waar omheen electronen "draaien". Het feit dat atomen met elkaar kunnen binden, komt doordat zij samen een of meerdere electronen kunnen delen. De schil van electronen bepaald de afmeting van een atoom. De lege ruimte tussen deze schil en de kern, vormt het grootste deel (meer dan 99%) van de ruimte die een atoom inneemt. De electromagnetische krachten zorgen ervoor dat de kern en de electronen bij elkaar blijven. Atomen kunnen soms wel en soms niet met elkaar in verbinding komen. Dit kan alleen theoretisch worden afgeleid met de quantummechanica. Op hun beurt kunnen protonen en neutronen ook weer worden opgedeeld. Dit is allemaal erg interessante materie, maar het voert te ver om hier dieper op in te gaan.

Quantummechanica
Het gedrag van elementaire deeltjes (waaronder electronen, protonen en neutronen) kan alleen theoretisch worden afgeleid met behulp van de quantummechanica. De effecten die worden voorspeld door deze theorie zijn van belang voor moleculaire nanotechnologie, denk daarbij aan het onzekerheids principe en het voorspellen van atoombindingen. Voor technici en wetenschappers is een goed begrip van de quantum mechanische effecten dan ook belangrijk. Echter voor een redelijk begrip van MNT is het voor niet technici niet noodzakelijk om deze effecten in detail te bestuderen. Houdt in je achterhoofd dat veel van wat wel en niet mogelijk is met MNT uiteindelijk wordt bepaald door de quantummechanica.

Stel je nu eens voor dat het mogelijk is om objecten op te bouwen met de afzonderlijke atomen als bouwstenen. Alles wat ontworpen kan worden, wat uit atomen bestaat, en wat natuurkundig mogelijk is, kan nu ook worden geproduceerd.

Je pakt wat van de overtollige CO2 moleculen uit de lucht, breekt de zuurstof atomen er van af, duwt vervolgens de overgebleven koolstof atomen in een diamant roosterstructuur tegen elkaar aan, en het resultaat is diamant! De verwezenlijking van dit scenario zal nog wel even duren. Maar dit is wel precies waar het bij MNT om gaat. Je bouwt objecten op vanaf de elementaire bouwsteentjes in plaats van objecten te vormen door er steeds kleinere stukjes vanaf te hakken. Al zo lang als de mens in staat is om dingen te maken, werkt hij van groot naar klein. Hij slijpt, schaaft, zaagt, hamert en belicht dingen van groot naar klein. De biologie werkt precies andersom, en bouwt alles op vanuit moleculaire bouwstenen. De zo geproduceerde complexe biologische structuren zijn veel verfijnder dan alles wat de mensheid tot nu toe heeft kunnen creeëren. Daarnaast heb je net als met Lego™ veel meer controle over het uiteindelijke resultaat.

Het zal duidelijk zijn, dat het gecontroleerd kunnen opbouwen van complexe structuren met atomen en moleculen als bouwstenen ongekende mogelijkheden biedt.

Hoe kunnen we dingen opbouwen met atomen en moleculen als bouwstenen?
In 1959 was er al een natuurkundige die serieus nadacht over de mogelijkheid van het bouwen en manipuleren met atomen, R.Feynman (een Nobelprijs winnaar) heeft toen al geroepen " there's plenty of room at the bottom". Daarmee gaf hij in een toespraak aan dat er voor zover bekend geen "natuurwetten" waren die het onmogelijk zouden maken dat wij ooit atomen kunnen plaatsen waar en hoe we willen. Maar hij zag (en vele met hem) wel degelijk in dat dat niet eenvoudig zou worden. Iets verplaatsen dat een miljard keer kleiner is dan jezelf, hoe doe je dat. Wel eens geprobeerd om met een hijskraan zandkorrels op een lijn te leggen, en ze daarna een voor een om te draaien? Dit voorbeeld is nog niets vergeleken met de problemen om atomen op de juiste plaats te brengen en ze vervolgens precies daar waar je wilt tegen elkaar te drukken (dit laatste om een reactie te bewerkstelligen). Het ontbreken van de technische uitvoerbaarheid verklaart waarom het na zijn toespraak lang stil is geweest rondom deze gedachtengang. Maar zoals Eric Drexler in 1986 beschreef in "Engines of Creation" : "We moeten het niet van boven naar onderen benaderen, maar andersom.". Hij beschreef in dit boek de "universele assembler". We kunnen hier rustig spreken van de "heilige graal" der Nanotechnologie. Iedereen wordt aangeraden dit boek te lezen! Dit boek verteld uitstekend de werking en de impact van MNT en is in een complete uitvoering online beschikbaar.

De Universele Assembler
In het boek "Engines of Creation", beschrijft Eric Drexler hoe je met microscopisch kleine robotjes gestuurd via ingebouwde computers atomen naar een bepaalde plaats zou kunnen brengen en daar tegen elkaar zou kunnen drukken om een reactie te bewerkstelliggen. Deze robotjes noemt hij assemblers. De assemblers zelf zijn natuurlijk ook opgebouwd uit atomen, dus dringt zich direct de vraag op: "Hoe maak je een assembler". Dit is nu precies de uitdaging waar de huidige wetenschappers op dit moment voor staan. Voor de goede orde, op dit moment bestaan er nog geen door mens gemaakte assemblers. Echter we weten dat het mogelijk is, omdat assemblers al bestaan in de natuur om ons heen. Ribosomen, die in elke biologische cel aanwezig zijn, zijn in feite niets anders dan kleine robotjes die het DNA lezen en vervolgens, overeenkomend met de instructies uit het DNA biologische structuren opbouwen. De structuren die op deze manier door een ribosoom worden opgebouwd lopen uiteen van een kopie van zichzelf tot een compleet mens!

Eric Drexler bracht het totale probleem van opbouwen met atomen en moleculen, terug naar een deelprobleem. We hoeven niet een super robotarm uit te vinden a la STM of ATM om iets in elkaar te zetten van atomen. We hebben voldoende aan minuscule robotjes (bestaande uit een aantal miljoenen atomen) die, gestuurd door een ingebouwde computer, samen een structuur kunnen opbouwen. Hiermee had hij een deel van het probleem opgelost.

Een ander probleem is het aantal benodigde robotjes (assemblers) voor het opbouwen van macroscopische structuren op deze manier. Stel dat je slechts een enkele assembler hebt, die op commando iets voor je zou kunnen maken, voordat je iets hebt ter grote van een suikerklontje, ben je dan veel langer dan de leeftijd van het heelal bezig. Dit komt door de onvoorstelbaar grote aantallen atomen waaruit macroscopische objecten zijn opgebouwd. De enige manier om binnen afzienbare tijd macroscopische objecten te kunnen opbouwen met moleculaire bouwstenen is met behulp van even onvoorstelbaar grote aantallen parallel werkende assemblers.

Toch heb je voldoende aan slechts een enkele universele assembler. Een universele assembler moet namelijk niet alleen enorm veel dingen kunnen bouwen op commando, hij moet vooral ook zichzelf na kunnen bouwen. Door deze reproductie is een exponentiële groei van hun aantal mogelijk. Om te laten zien hoe snel dat gaat volgt hier een lijstje stappen van assemblers die zichzelf na bouwen:

stap 1: 1 + 1 = 2
stap 2: 2 x 2 = 4
stap 3: 4 x 2 = 8
stap 4: 8 x 2 = 16
etc...
stap 20: is meer dan 1.000.000
stap 30: is meer dan 1.000.000.000 (oftewel 10^9)
stap 40: is meer dan 1.000.000.000.000 (oftewel 10^12)

Stel dat elke assembler er een uur over doet om zichzelf na te bouwen. Je hebt dan in 40 uur meer dan een biljard robotjes tot je beschikking. Wanneer een bepaald aantal is bereikt, laat je de assemblers, bestuurd door hun interne computer, stoppen zichzelf na te bouwen. De grote aantallen assemblers kunnen nu samen een macroscopisch object binnen een aanvaardbare tijd opbouwen. Bijvoorbeeld van een enkele assembler naar een diamant ter grootte van een tennisbal binnen 60 uur tijd.

Op dit moment zijn er (voor zover bekend) nog geen assemblers door mensen gemaakt, maar er wordt hard aan gewerkt. Een bedrijf dat zich kompleet heeft toegelegd op de vervaardiging van de eerste assembler is Zyvex. Deze eerste assembler zal vooralsnog geen universele assembler worden, hij zal nog niet de mogelijkheid hebben zichzelf na te kunnen bouwen. Een universele assembler die ook zichzelf kan nabouwen is enkele stappen complexer dan een assembler die slechts een beperkt aantal objecten kan opbouwen.

Er is nu in het kort beschreven wat nanotechnologie is en welke problemen overwonnen moeten worden om het daadwerkelijk te kunnen toepassen. Voor een diepere afleiding en verklaring wordt het boek "Nanosystems" aanbevolen. Dit boek is eveneens geschreven door Eric Drexler en geeft een uitgebreide wetenschappelijke onderbouwing van hetgeen hierboven getracht is, simpel weer te geven.

Universele assemblers en daarna
Nu zijn we aangekomen bij de toepassingen die zich gemakkelijk laten aanzien als science-fiction. Stel dat we een volwaardige MNT volledig tot onze beschikking hebben, waarvoor kunnen we dit toepassen? Je bent hiermee in staat om bijna alles wat je maar kunt bedenken, en wat natuurkundig mogelijk is, ook daadwerkelijk te fabriceren. De fantasie is de enige grens. Het bouwen van een ruimteschip is even eenvoudig als een appel of een computer. Helaas geldt dit eveneens voor gif, wapens en virussen!

De gehele wereld zal zeer goedkoop (de benodigde atomen zijn overal in grote hoeveelheden aanwezig) van voedsel voorzien kunnen worden. De zieke cellen in het lichaam kunnen, door er kleine robotjes op af te sturen, weer gerepareerd worden. De veroudering van mensen kan gestopt worden, via MNT robotjes die zorgen voor een continue reparatie van individuele cellen en van weefsels. Grote ruimtewoonoorden kunnen extreem goedkoop gefabriceerd worden. Via zulke ruimtekolonies kan de totale bewoonbare oppervlakte exponentieel worden vergroot. Ook kunnen zulke woonoorden zich afzonderen zodat bepaalde bevolkingsgroepen zichzelf kunnen afsplitsen en zich ongehinderd verder kunnen ontwikkelen. We kunnen onvoorstelbaar krachtige compacte computers bouwen, en zeer grote kunstmatige neurale netwerken. Waarschijnlijk komt daardoor ook kunstmatige intelligentie eindelijk binnen handbereik.

Echter, de mensheid had het voedsel probleem ook nu al kunnen oplossen, waarom is dat niet gedaan? Nog steeds bestaan er militaire conflicten, en nog steeds worden er terroristische acties gepleegd. Is de mensheid wel rijp voor MNT en de enorme materialistische macht die hiermee verkregen wordt. Deze bezorgdheid is een van de redenen waarom Transcedo is opgericht. Net als het Foresight Institute (opgericht door Eric Drexler) is het doel, de mensen bewust maken van de revoluties die er nog gaan komen. Elke techniek kan ten goede en ten kwade gebruikt worden. Nanotechnologie vormt hierop geen uitzondering. Sterker nog, het kan een ongekende macht leggen bij een zeer kleine groep! We moeten daarom nu al gaan nadenken over de mogelijke consequenties van deze techniek.

Er is hier bewust voor gekozen vooral de positieve aspecten van MNT te beschrijven. Maar het is niet de bedoeling de mogelijke gevaren onbesproken te laten. Dit zou niet goed zijn voor de algemene beeldvorming. Het is ook niet realistisch om zich alleen te concentreren op de mogelijke gevaren. Samen bepalen we waar we over een bepaalde tijd zullen zijn. Iedereen bouwt, hoe klein en nietig ook aan deze wereld mee. Het is geen optie om MNT tegen te houden. Dat is met nog geen enkele techniek gelukt en zal dus ook niet met MNT lukken. Openheid is het enige alternatief, om militair of ander misbruik te voorkomen.

Mensen dachten honderd jaar geleden nog, dat mensen nooit op de maan zouden landen. Vijfhonderd jaar geleden dacht men nog dat de aarde plat was. In 1890 wist men al hoe men een computer moest bouwen, alleen had men de kennis en de juiste gereedschappen nog niet. Op dit moment kunnen we voorspellen hoe we binnenkort alles uit moleculaire bouwstenen kunnen opbouwen, alleen we hebben nu de juiste gereedschappen nog niet.

Denkbeelden, ideeën en mogelijkheden veranderen continue. De toekomst voorspellen is onmogelijk. Maar het is zeer goed mogelijk om toekomstige technologische ontwikkelingen te voorzien. Wij bouwen samen mee aan die toekomst. Er is geen enkele reden om die toekomst met angst tegemoet te zien. Integendeel, er liggen prachtige nieuw kansen, onvoorstelbare uitdagingen en aan de utopie grenzende nieuwe werelden op ons te wachten.

Copyright (c) 1998 by Transcedo

Externe links voor meer informatie :
Henry's Future Pages Met uitgebreide Nederlandstalige! informatie over Moleculaire Nano Technologie.

Engines of Creation LEES DIT BOEK als ideale introductie tot Moleculaire Nano Technology. Online verkrijgbaar!

Unbounding the Future Lees ook DIT COMPLETE BOEK, een uitgebreide introductie met eenvoudige niet technische uitleg. Online verkrijgbaar.

XEROX Parc De start plaats voor informatie over Nanotechnologie

The Foresight Institute Organisatie opgericht voor de bevordering van de bekendheid van nanotechnologie.

Zyvex Een bedrijf opgericht met de doelstelling de eerst functionele assembler te produceren...

Last updated : 16-09-97 1