Nanotehnologia, promisiunea viitorului – interviu cu Prof. Dr. Ing. Mark Hersam

Nanotehnologia a devenit din ce în ce mai prezentă în aproape toate domeniile științei, iar interdisciplinaritatea devine o regulă fără de care cercetarea nu mai poate progresa. Am avut plăcerea să vorbesc de curând cu Dl. Profesor Mark Hersam (pentru că domnia sa se autointitulează în primul rând profesor și abia apoi doctor în inginerie), de la universitatea americană Northwestern, un expert în știința materialelor care studiază proprietățile fizice, chimice și biologice ale nanomaterialelor cu utilizări posibile în IT, biotehnologie și energie.

În ce domenii se aplică deja nanotehnologia, cu rezultate tangibile pentru marele public?

Nanotehnologia este un domeniu profund interdisciplinar. Include elemente de fizică, de chimie, biologie, multe elemente din inginerie și medicină, așa că implicațiile nanotehnologiei ating toate aceste secțiuni. Aplicațiile cele mai proeminente sunt legate de electronică. Toate computerele și smartphone-urile pe care le folosim au componente cu mărimi de ordinul nanometrilor, așadar nanotehnologia este peste tot în jurul nostru prin intermediul acestor echipamente.

Cu toate acestea, cele mai noi abordări ale nanotehnologiei de viitor includ elemente din domeniul energiei precum fotovoltaicele sau celulele solare, de asemenea, bateriile. Există eforturi și în domeniul purificării apei și apoi în medicină, care includ administrarea de medicamente, noi forme de diagnosticare sau detectarea incipientă a bolilor și regenerarea țesuturilor.

Așadar, implicațiile sunt cu adevărat extinse.

Cât de complicată e această nouă ramură a științei? Poate fi aprofundată încă de la liceu sau necesită studii speciale universitare?

Cred că până la nivelul de absolvire al liceului nanotehnologia poate fi folosită pentru motivarea elevilor, pentru că aprofundarea domeniului ar putea fi mult prea dificilă pentru un elev de liceu. Cu toate acestea, implicațiile pot fi înțelese la orice vârstă și i-ar putea inspira să aleagă știința și ingineria.

Acum există o problemă în SUA și cred că și în alte țări precum România, să-i îndrumăm pe copiii talentați să aleagă această cale. În anii ’60, cursa spațială a adus o mulțime de ingineri în universități pentru că elevii au fost inspirați, dar, dacă vrei să performezi în acest domeniu al nanotehnologiei, îți trebuie neapărat un nivel înalt de educație.

Care sunt marile probleme ale omenirii/societății pe care le poate rezolva rapid nanotehnologia?

Cred că poate contribui la rezolvarea mai multor probleme. Am menționat mai devreme purificarea apei. Cred că lipsa apei curate atinge o mare parte a globului. Forme de energie alternativă și regenerabilă sunt alte probleme care ating majoritatea societății, iar nanotehnologia promite noi soluții pentru acestea.

În medicină, sănătatea este o problemă peste tot. Noi forme de tratament, detectarea bolilor din faze incipiente, vor duce la deziderate terapeutice mult mai bune. Așadar, cred că nanotehnologia ar putea avea un impact în rezolvarea multor probleme ale umanității.

Cam care este potențialul nanotuburilor de carbon și în ce univers de timp ar putea deveni tehnologia de bază pentru umanitate?

Unul dintre lucrurile binecunoscute în istoria științei și în mod special în adoptarea unor noi materiale este că durează 20 până la 30 de ani de la descoperirea acestora și până la implementarea lor comercială. Un precursor al nanotuburilor de cabon au fost straturile filmate din diamant ultra dur. Acestea au fost studiate în anii ’80 și abia acum le vedem utilizate în tehnologii din domeniul auto.

Așadar, cred că regula se aplică oricărui material, incluziv nanotuburilor de carbon, deci aparenta întârziere nu este o problemă. Vestea bună este că nanotuburile de carbon se comportă extrem de bine în anumite domenii. Aș spune că electronica ar fi cel mai bun candidat. Companii precum IBM văd nanotuburile de carbon ca principal element din următoarea generație de computere.

Există, de asemenea, posibilitatea de a folosi nanotuburile de carbon în tehnologiile legate de baterii, iar asta va duce la dezvoltarea unor baterii cu autonomie mai mare care ar putea fi folosite în echipamentele electronice portabile și am putea avea baterii care să se încarce și să se descarce mai rapid. Primele ar putea fi folosite în automobilele electrice, care s-ar încărca astfel mult mai rapid, iar descărcarea rapidă ar putea folosi la accelerarea mai rapidă.

Deci cred că în aceste domenii nanotuburile de carbon vor avea un impact important.

De 12 ani scriu despre „bateria minune”, dar aceasta nu a apărut încă. Tehnologiile legate de baterii s-au dezvoltat mult mai încet decât echipamentele electronice pe care le alimentează. Puteți explica?

Industria este extrem de conservatoare. Nu există dubii aici. La Universitatea Northwestern există dezvoltări importante ale anodului care ar putea duce la crearea unor baterii mult mai performante. Cercetătorii sunt în discuții cu reprezentanți ai industriei de ani întregi, dar aceștia sunt foarte reținuți în a adopta tehnologii noi pentru că au profit din cele  ctuale.

Cred că progresul în acest domeniu se va produce, așadar, mai degrabă într-un ritm încetinit și susținut decât în salturi mari. În alte domenii pot exista și schimbări mai abrupte.

Ați primit premiul de dascăl al anului la Universitatea Northwestern câțiva ani la rând. Care este secretul educării eficiente a elevilor?

Eu cred că secretul educației este să înțelegi care este nivelul audienței, iar, dacă lucrezi într-o universitate, trebuie să îți dai seama foarte bine ce știu și ce nu știu studenții tăi. Apoi trebuie să îți stabilești o țintă pentru ei. Aceasta trebuie să fie dincolo de ceea ce știu deja, dar nu de neatins.

Dacă ținta este aproape, se vor „întinde” să o atingă. Apoi stabilești altă țintă pe care să o atingă, iar asta îi ajută să învețe. Dacă ținta este mult prea ușor de atins, studenții se vor plictisi, dacă o pui prea departe, nu o vor atinge și vor rămâne la nivelul inițial.

Care este cea mai importantă realizare științifică a dumneavoastră de până acum?

Aș spune că aceasta este reprezentată de studenții mei. Deci sunt mai întâi de toate un profesor și sunt convins că realizările integrate ale studenților mei vor depăși orice aș putea face eu ca om de știință. Așadar, aceasta este mândria mea: elevii mei.

Cât de avansate sunt cunoștințele noastre despre nanotehnologie? Suntem abia la început?

Este un subiect extrem de larg pentru că, după cum vorbeam mai devreme, nanotehnologia este un domeniu care implică foarte multe aspecte. Aproape orice domeniu de activitate poate avea realizări în sfera nanotehnologiei. Unele elemente sunt mai bine înțelese decât altele, dar în laboratorul nostru, timp de aproape 20 de ani am studiat nanomaterialele și chiar acum câteva luni am descoperit un alt nanomaterial.

Sunt convins că vor urma și alte descoperiri, iar cunoștințele noastre despre cel mai nou material descoperit sunt în mod cert mai puține decât cele despre nanotuburile de carbon pe care le studiem de atât timp. Cred că vor exista multe alte oportunități.

Este foarte SF ideea de a folosi nanomașini, nanoroboți, în scopuri medicale?

Depinde cum definești nanoboții. Este un film numit Fantastic Voyage și acolo apar niște mici nave care sunt injectate în corp și care combat bolile cu niște lasere. Ei bine, acesta este SF în mod cert.

Totuși, cred că nanomaterialele prezintă strategii inovatoare pentru administrarea medicamentelor. Probabil că nu va exista o mașinărie care va administra medicamentul într-un anumit mod, dar nanomaterialul va avea un mecanism de eliberare a medicamentului care va putea fi declanșat în momentul în care este nevoie. Este o chestiune de semantică dacă definim acest nanomaterial ca nanobot.

Ne puteți spune câte ceva despre cercetările dv. în domeniul memristorilor? Cum va arăta electronica viitorului bazată pe nanotehnologii? Cât de mic poate fi un tranzistor?

Tranzistorul reprezintă modul actual de a crea componente electronice și, în ultimii 50 de ani, microelectronica a realizat profit din micșorarea acestuia. La ora actuală, Intel livrează componente electronice la scara de aproximativ 20 nm. Cât de mic ar putea ajunge? Există o traiectorie trasată pentru a ajunge la lungimi sub 10 nm. Au fost create deja astfel de componente de către companii precum IBM, folosind nanotuburi de carbon.

La acea scară nu există o întrebare științifică, ci poate doar una economică. Costurile pentru a face tranzistorul din ce în ce în ce mai mic cresc și la un anumit moment s-ar putea să nu mai fie rentabil din punct de vedere economic. De aceea există un interes în a descoperi alternativa tranzistorului în memristor.

În memristoare este utilizată o altă strategie computațională numită neuromorfică sau computing asemănător creierului, iar acesta ar putea permite electronice, să depășească obstacolul economic de care se lovește tranzistorul.

Știm că aveți realizări importante în domeniul nanotuburilor de carbon cu pereți dubli. Ce ne puteți spune despre ele?

Nanotubul de carbon cu pereți dubli este format din doi cilindri concentrici, unul în exteriorul celuilalt, iar aceste două nanotuburi pot fi folosite într-o mulțime de aplicații electronice. De pildă, am putea folosi nanotubul din interior ca un conductor de electricitate, iar pe cel exterior ca scut electromagnetic, ceva similar cu cablul coaxial, dar la nivel de nanometru. Altă aplicație ar fi să folosim tubul din interior ca pe un canal al tranzistorului, iar pe cel din exterior ca întrerupător.

Cum vă ajută microscopia cu forță atomică în cercetările dumneavoastră în domeniul nanotehnologiei?

Microscopul cu forță atomică ne permite să analizăm materia la nivel nanometric, în contrast cu un microscop optic la care folosim lumina pentru a mări un obiect. Lumina are o lungime de undă de ordinul sutelor de nanometri, așa că este foarte dificil să folosim lumina pentru a vedea obiecte de un singur nanometru. Microscopul atomic poate face asta și ne ajută să vizualizăm și să interogăm probe de asemenea dimensiuni la care operăm în laborator.

Se spune că nanotuburile de carbon ar putea fi soluția pentru viitorul ascensor spațial, care a fost frumos descris de Arthur C. Clarke în Fountains of Paradise. Dumneavoastră ce părere aveți? Putem construi cablul superrezistent necesar pentru construcția ascensorului spațial?

Acest lucru este la granița SF-ului. În teorie este posibil, dar provocarea este reprezentată de proporțiile proiectului. Posibilitatea de a construi cabluri superrezistente este în mod cert plauzibilă, dar să facem asta la scara necesară construcției unui lift spațial este improbabil să se întâmple în viitorul apropiat.

Ce le-ați recomanda cititorilor noștri care doresc să urmeze o carieră în nanotehnologie?

Dacă un tânăr este interesat de nanotehnologie i-aș recomanda să se uite la orice domeniu din știință și tehnologie de care este pasionat pentru a aprofunda acel domeniu, poate fi fizică, chimie, științele naturii sau inginerie, dar să comunice și cu alții care aprofundează alte domenii.

Și, dacă poți comunica interdisciplinar având cunoștințe avansate în măcar un domeniu, atunci ești perfect pentru nanotehnologie pentru că asta se întâmplă acum. Se adună la un loc mai mulți specialiști, fiecare cu expertiza lui, și, dacă pot comunica, pot colabora și pot rezolva o problemă pe care niciunul dintre ei nu o poate rezolva individual.

Cum ați devenit interesat de nanotehnologie?

Am fost inspirat de un profesor. Când am fost la facultate am studiat ingineria electrică pentru că aveam aptitudini în știință și inginerie, iar intenția mea era să iau un MBA și să devin un antreprenor înclinat spre partea de business. Dar, când eram la facultate, unul dintre profesorii mei a ținut o prezentare în care folosea un echivalent al microscopului atomic, unul cu scanare de electroni, cu ajutorul căruia ne-a arătat imagini ale atomilor pe care până în acel moment îi văzusem doar ca un concept într-o carte de chimie.

Dar el avea un microscop cu care îi puteam vedea, îi puteam manipula la nivel atomic, iar acest lucru mi s-a părut pur și simplu uluitor, așa că am devenit interesat de studiile lui. Apoi am vorbit mai mult cu el și așa am aflat că și ca profesor n-aș fi împiedicat să urmăresc și activități antreprenoriale. Așadar, aș putea avea experiența descoperirilor ca om de știință și, în același timp, să ies din facultate și să fondez o companie.

Există riscuri de sănătate legate de nanoparticule?

Este o întrebare foarte complicată. Cu orice nou material, nano sau nu, ar trebui să existe scepticism și preocupare și să se efectueze teste pentru a se afla implicațiile asupra sănătății sau mediului. Apoi, după ce înțelegi problema trebuie să găsești soluții pentru a elimina acele riscuri. Repet, nu este ceva legat de domeniul nano, ci o abordare generală.

Am amintit mai devreme de aplicații biomedicale. Nu am dat curs acestora până nu am făcut teste de toxicitate și nu le-am efectuat doar la Universitatea Northwestern, ci am solicitat și verificări independente din laboratoare fără afiliere cu noi. De asemenea, lucrăm cu cei de la UCLA și de la Agenția de Protecția Mediului și am coroborat rezultatele care ne-au arătat că, dacă nanotuburile de carbon nu sunt manipulate corespunzător, în mod cert pot exista riscuri de sănătate. Dar dacă le manipulezi și le procesezi corect, nu este nicio problemă. De altfel, cred că asta se întâmplă cu orice material dacă abuzezi de el sau nu îl manipulezi corect.