Loogikaskeem kui puuvili

Kuigi kevadiselt õitsevad paplipuud nii mõnegi kodaniku elamise põrguks muudavad, on Iisraeli Jeruusalemma Ülikooli nanotehnoloogid jõudnud järeldusele, et paplipuu evib lisaks ääretult imposantsele õitsemise protsessile veel ka omadust töödelda teavet. Nimelt uurisid sealsed teadlased paplipuu valgurakke ning avastasid neil omaduse lisaks puu eluks vajaliku teabe edasi transportimise võimele veel ka võime toimida lihtsa kahend-süsteemse loogikaelemendina. Sellise loogikaelemendi juhtimiseks rikastati valgurakku nanomõõtmes räniosakesega ning moodustuski lihtsaim salvestusvõimega varustatud loogikalüli, millel mikroelektroonikas mõõtmatu ulatusega kasutusvõimalused.

Teaduseuudis: kontrollitavad aatomid 20!

28. septembril möödub 20 aastat päevast, mil Don Eigler nimeline teadlane viis IBM uurimiskeskuses esimest korda teaduse ajaloos läbi katse, millega tõestas ära, et inimene on võimeline kontrollima iga üksiku aatomi liikumist.

Selle väite tõestuseks moodustas Eigler STM elektronmikroskoobi abil 35 aatomist tähed I-B-M.

Katsest ja selle olulisusest tänapäeva teaduses räägib allolev video:

Molekulidest said algelised nanomootorid

Majanduslikud probleemid ei ole viinud sädet nanotehnoloogide ja molekulaarteadlaste silmist, kellelt ikka ja jälle põnevaid uudiseid on kuulda. STM elektronmikroskoobi abil molekulide struktuuri uurides, avastasid USA Tufts University teadlased käesoleva aasta kevadel, et lisaks teatud tingimustel helikopteri rootori sarnasteks moodustisteks koondumistele, hakkavad need moodustised madalatel temperatuuridel kiirusel umbes miljon pööret sekundis pöörlema. Erinevatesse molekulaarsetesse keskondadesse paigutatuna suutsid teadlased sedasi pöörlevaid molekule peatada, aga ka pöörlemisenergiat edasi anda teistele molekulidele, moodustades sedasi algsed bioenergial töötavad nanomootorid koos lihtsaima ülekandemehhanismiga.

Tuksuvast südamest sai elektrigeneraator

Võib vaid ette kujutada, kui palju toimub inimorganismis liikumist, mis kannab endas kasutamata jäävat energiat. Alustades muutustest lihasrakkudes, kui ennast liigutame, kuni veresoontes liikuva verega edasi kanduva energiani. Pole siis ka ime, et ka nanotehnoloogia sellele energiale rakendust on otsinud.

Märtsi lõpus andidki USA Georgia Institute of Technology teadlased teada, et on välja töötanud ülitundlikud piesoelektrilised tsink-oksiidi nanoosakesed. Pieso-elektrilisus väljendub siis nende omaduses näiteks madalsageduslike võngete (südamelöök, helivõnked ruumis jms) poolt tekitatud mehaanilise surve all eritada elektrivoolu. Ei ole vaja just erilist fantaasiat, et kujutada ette selliste osakestega kaetud riideesemeid, millistesse integreeritud toitepistiku abil võiksime toita kõiki me käsikasutuses olevaid e-seadmeid.

Süsteemi väljatöötajad pakuvadki, et kui õnnestub nanoosakeste arendamine laiatarbe kasutusse, arvatakse nende põhjal loodavate rakenduste esimesteks kasutajateks olema nii meditsiin kui ka pikemat aega tsivilisatsioonist eemal olevad ametimehed, näiteks sõjaväelased.

Nanoime: 500 DVD’d ühele postmargile

Mäletad veel kümmekond aastat tagasi käibel olnud floppy diskette, kuhu heal juhul vaid loetud hulk megabaite andmeühikuid peale mahtus. Kümmekond aastat nanotehnoloogia kiiret arengut on meid aga toonud tänasesse päeva, kus andmekandjate mahupiiranguks on sõna otseses mõttes taevas. Taevase piiri deviisist on vist lähtunud ka USA Massachusettsi ja Berkeley ülikoolide teadlased, kes on välja töötanud üliõhukese pooljuhtkile, mille abil loodetakse suurt hüpet edasi elektrooniliste andmekandjate tootmises. Varasemad teaduse saavutused sarnaste andmekandjate väljatöötamisel polümeeride baasil on tänaseni takerdunud tõdemusse, et mikroskoopiliselt õhuke materjal kipub suurema pindala korral deformeeruma. Seepärast võtsid teadlased ette safiiri nimelise vääriskivi, mille kristalle kuumutades moodustusid kristalli pinnale nanomõõtmes vaalud, mida arvatakse võimalik olevat kasutada ülipisikeste pooljuhtide loomiseks. Sedasi moodustatud pooljuhtide kogum omaks enam kui 15 korda suuremat tundlikkust kui senikasutatud ning võimaldaks andmete salvestamiseks moodustada andmekandjaid, mille ühe minidiski suurune ühik oleks võimeline talletama kuni 500 tänase DVD andmemahu.

Paneme viiruskehad raadiot toitma!

Mäletan lapsepõlvest vaidlust naabripoisiga, kas jaapanlased suudavad leiutada nõelasilma suuruse televiisori või mitte. Täna küll enam ei mäleta, millega kahksakümnendate alguses see vaidlus lõppes, kuid nõelasilma suurune televiisor poleks tänapäva nanotehnoloogia kiire arengu juures enam teab mis saavutus. Pigem oleks kuni tänaseni olnud takistuseks sellise mikrotehnika toiteallika suurus. Tunduks ju päris koomiline, kui tolmukübeme suurust tehnikavidinat mõnegrammisest toiteallikast toidaksime.

Nüüd võib ka see takistus saada möödanikuks. Nimelt andis USA Massachusetts Institute of Technology MIT augustikuu kahekümnendal päeval ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences teada, et on põhimõtteliselt valmis bio- ja nanotehnoloogia saavutusi kombineerides tavatingimustes komplekteerima poole inimraku suuruse akumulaatori.

Tegemist oleks pehme litograafia meetodil loodud imeõhukesele kummipõhjale viirusekeha abil moodustatud anoodi ja katoodiga, mille vahel on elektrolüüt. Viiruskehade elektrokeemilise reageerimise tulemusena akus sisalduvate polümeeride ja metallidega (nt koobalt), moodustatakse nii nanomõõtmes elektroodid, kui toimub ka hiljem elektrolüütiline reaktsioon, mis tavakasutajale väljendub elektrilaenguna.

Viimase pingutusena seisab MIT teadlastel ees lisaks varemloodud anoodile ja elektrolüüdile katsetada veel viiruskeha abil moodustatava katoodi toimimist. Seejärel on teadlased lubanud uurida loodu tarbeks elastsete keskkondade loomist, mis lubaks tulevikus "rakuakusid" kasutada bioloogilistes organismides. Nõelasimaraadio paigaldatuna me sisekõrva saaks aga loodetavasti teoorias reaalsuseks juba lähikuudel.

Nano 2008: 30 korda parem soojusjuhtivus

Oleks ju vahva kui hubane maasaun saaks senise tunni-kahe asemel parajalt kuumaks mõne minutiga ning hommikune kohvivesi saaks keedetud kümnekonna minuti asemel mõne sekundiga? Kui palju energiat me sellega kokku hoiaks! Aga just sellist, esmapilgul pöörast, tulevikupilti lubavad meile USA vanima tehnoloogiateaduste ülikooli Rensselaer Polytechnik Institute teadlased.

Nimelt, nii, nagu geniaalsete avastustega ikka, avastasid nad selle aasta hiliskevadel puht juhuslikult, et nano-osakestega kaetud anumas hakkab vesi keema kordi kiiremini, kui tavaliselt. Ja mitte 2 või kolm korda, vaid kuni 30 korda kiiremini!

Oma juhusliku avastuse tagamaid uurides jõudsid teadlased lihtsa tõeni. Nimelt tähendab keemine lihtsamalt lahtiseletatuna keeduanuma seintes olevatesse mikropragudesse kinni jäänud suure hulga õhumullide auru jõul eraldumist vedeliku pinnale. Ilma nende mikropragudeta oleks vedeliku keemine (elik siis ka õhumullide tekkimine vedeliku põhja) praktiliselt võimatu. Katnud anuma sisepinna nanomõõtmes vaseosakestega, tekitati õhumullide moodustumiseks vajalike mikropragude ette omamoodi nanovõre, mis oluliselt takistas nendesse pragudesse vee valgumist. Selle tulemusena moodustus aga vedeliku põhja kordades suurem kontsentratsioon õhku, mida siis kuumutamisel sai vedeliku pinnale paisata.

Kuna keemine on üks võimalikest soojuse ärajuhtimise moodustest, pakuvad teadlased, et lisaks lihtsale supipotile on nanoosakestega kaetud elemente edukalt võimalik kasutada ka muudes tehnoloogilistes lahendustes, milliste tõhus töö sõltub korralikust jahutusest. Näiteks mikroeltroonikas, kus ühendused on juba täna reeglina teostatud vase baasil, milliste pindasid siis tulevikus oleks võimalik omakorda töödelda nanomõõtmes vaseosakestega.

Innovatsioon 2008: paber saab terasest tugevam

Loodussõbraliku kodanikuna olen üsna sageli supermarketis oma ostud pakkinud sealt saadavasse paberkotti. Seda vaatamata sellele, et paberkott on habras ja peale teist-kolmandat kasutamist juba päris kapsas. Stockholmi Royal Institute of Technology andis nädalapäevad tagasi teada, et uuel tehnoloogial põhinev paberitootmine võimaldab valmistada terasest tugevamatki pabermaterjali.

Teatavasti koosneb klassikaline paber valmitatud tselluloosist, milline oma füüsikalistelt omadustelt võib teoorias olla väga tugev materjal. Samas kaasneb tselluloosi osakeste ühtseks paberi-tervikuks liitmisega mitmeid defekte, mis muudavad tavalise paberi struktuuri küllaltki rabedaks materjaliks. Sellest tõdemusest kannustatuna otsustasid rootslased tselluloosi osakesed muuta nanoskaalal kordades väiksemaks, et nende omavahelist haakuvust parandada.

Selleks leotasid teadlased tselluloosi tootmiseks vajalikku puidumössi pikemat aega terve rea ensüümidega rikastatud vees, samal ajal segu tugevalt mikserdades. Saanud tavalise tselluloosi osakestest ca 1000 korda väiksematest osakestest moodustatud massi, töötlesid teadlased osakesi veel karboksüülhappega. Töötlemise tulemusena said osakesed omale täiendavad vesiniksidemed, mis liitsid neid senisest veelgi tugevamalt kokku.

Tulemuseks oli paber, milline pidas vastu vähemalt 214 megapaskalisele jõule. Samas mõõdus terasleht pidas vastu jõule kuni 130 megapaskalit. Ehk siis sai kokku segatud terasest veidi vähem kui kaks korda tugevam pabermaterjal.

Lisaks tugevusele osutus uus paber ka märkimisväärselt poorsemaks, mis muudab tema kuivamise ja seega ka tootmise hinna odavamaks kui tänasel paberil. Et tselluloosi looduslikud varud Maal on küllaltki suured, loodavad teadlased uuest tehnoloogiast lahendusi ka näiteks tööstusharudele, mis seni oma toodetes on kasutanud keemia baasil valmistatavat plastikut.

Teadlased loovad bakteritest arvutit

Milline võiks olla maailma väikseim arvuti? Nagu kirjutab vastilmunud Journal of Biological Engineering, võib USA North Carolina Ülikooli ja Missouri Western State Ülikooli ühiseksperimentide tulemusena piseimaks arvutiks pidada mõne mikromeetri suurust bakterit.

Nimelt muundasid teadlased paljudes elusorganismides levinud ja oma omaduste tõttu biotehnoloogias laialt kasuatatavat Escherichia coli (E.coli) nimelist bakterit teiste bakterite DNA ahela osakestega selliselt, et E.coli siseselt moodustus DNA osakeste vahel erinevaid kombinatsioone võtta suutev mikrosüsteem. Sellise süsteemi toimimise mõistmiseks tuleb silmas pidada, et DNA elementide kombinatsioonid on püsivad ainult sel juhul, kui need osised satuvad kokku ühte kindlat pidi. Nagu ka näiteks magnet omab magneetilist jõudu vaid ainult eripooluseliste külgede vahel.

Loodud mikrosüsteemi toimimist testiti ka tõenäosusõpetusest teada pannkookide sorteerimise kombinatoorikaülesande lahendamise abil. Nimetatud ülesande käigus tuleb süsteemis leida vähim võimalik operatsioonide arv, mis on vajalik pannkoogikuhilas kõikide pannkookide kõrbenud pool üles, samas ka suuruse järjekorras, järjestamise ülesande täitmiseks. Konkreetselt E.coli bakterite juures tähendas see siis erinevate kombinatsioonide arv, mida bakterisse sisestatud DNA osised pidid võtma, enne kui saavutasid ühtse püsiva ahela.

Kaudselt moodustasid teadlased ülalkirjeldatud katsetega endalegi ootamatult E.coli bakteri baasil n positsioonilise arvutussüsteemi (nagu näiteks arvutites kasutatavad kahend-, kaheksand- vms positsiooniline arvutussüsteem), kus n tähistab siis erinevate DNA osiste arvu, millised peavad moodustama erinevaid kominatsioone. Arusaadavalt loob taolise biloogilise mikrosüsteemi kasutuselevõtt enneolematult uued võimalused muuhulgas protsessorite ja salvestusseadmete ehitamiseks. Arvestades, et näiteks ühte kohvitassi mahub tagasihoidlikult öelduna miljoneid miljardeid baktereid, millest igaüks võib omakorda sisaldada kümneid DNA ahela osiseid, võib vaid ette kujutada, palju selline bakterikooslus võib informatsiooni salvestada või ühes ajaühikus töödelda.