Nanotehnologia si energia libera

Abstract: Viziunea actuala asupra materiei si a vietii in general cuprinde in mare parte ideea de consum. Datorita constrangerilor provocate de diminuarea rezervelor de combustibil fosil umanitatea se orienteaza catre alte posibilitati de generare de energie. Totusi, mentalitatea specifica de consum nu s-a schimbat. Daca se inlocuiesc generatoarele de curent poluante se va schimba si idea eronata cum ca avansul tehnologic inseamna automat si un consum ridicat al resurselor naturale. Natura foloseste energie solara si se regenereaza - tehnologiile umane ar trebui sa invete un sistem asemanator.

Cuvinte cheie: nanotehnologie, autostructurare, eficienta energetica, energie libera.

Natura ne invataPana de curand, cea mai buna strategie pe care o aveau la dispozitie laboratoarele de la IBM de a crea cristale de siliciu era sa se lase sa se asambleze intr-un mediu riguros verificat si conditionat. Costul ridicat al mentinerii mediului in parametri ceruti precum si slaba eficienta a unei astfel de metode a creat necesitatea unei alte mentalitati. Din aceasta cauza cei mai multi cercetatori s-au reorientat la studiul mediului inconjurator. Pe langa eficientizarea tehnologica se are in vedere si un consum minim de resurse, ceea ce se observa in procesele biologice.
Solutia a venit printr-o colaborare stiintifica dintre cercetatorii de la Departamentul de Inginerie Mecanica al Universitatii din Columbia si IBM. Ei s-au inspirat din felul in care cristalele se formeaza in natura si au reusit sa creeze un model matematic al unui astfel de proces natural, si spera sa o poata folosi pentru cresterea nano-cristalelor artificiale. Cercetatorii de la Universitatea din Columbia au reusit sa creeze asemenea structuri avand drept unitati de baza nano-cristale artificiale de siliciu. Persoana de cuvant a Universitatii, Stephen O'Brien, declara ca aceste nano-cristale pot fi alese pe baza proprietatilor lor electrice sau magnetice, ceea ce face ca structurile rezultante sa prezinte aplicatii in electronica si in noile unitati de stocare magnetice cu un consum redus energetic. Echipa de cercetatori a descris 10 asemenea structuri in numarul din 5 ianuarie 2006 al revistei Nature. (Fig. 1).

Fig. 1. Studiul autostructurarii este folosit mai ales in cazul cresterii cristalelor de siliciu: creearea de cip-uri cu caracter diferit si mod de raspuns diferit la camp magnetic, electric sau mecanic cu un consum extrem de redus de curent electric.

In natura, un cristal este format prin adaugarea treptata a tot mai multor unitati de baza (molecule, atomi, etc). Dificultatea cea mai mare este aceea de a crea un mono-cristal, cu alte cuvinte o singura entitate monolitica, compacta, si nu un amestec de multe cristale mici. Asemenea mono-cristale au mai fost create, in special datorita proprietatilor lor optice, cu ajutorul unui proces lung si dificil insa s-au folosit materiale usor de manevrat, printre care si apa. Cresterea unui mono-cristal de apa de cativa centimetri putea dura doar cateva ore.

Auto-structurarea - fenomen copiat din natura
Kenneth Libbrecht, profesor de fizica la California Institute of Technology a inceput sa studieze, inca din anul 2001, formarea fulgilor de zapada, observand diferitele aranjamente care apar in conditii speciale. Descoperirile lui sunt de o importanta deosebita pentru formarea unei baze teoretice in ce priveste aplicarea acestui proces si in cadrul auto-structurarii artificiale, in laboratoare specializate, al cristalelor de siliciu.
Libbrecht a inceput prin a studia fulgii de zapada in natura, facand fotografii microscopice pentru a intelege fizica elementara a fiecarui fulg de zapada. Crescand cristale in conditii controlate el putea vedea cum apar diferite structuri in functie de temperatura si umiditatea mediului artificial creat. Aplicand o tensiune electrica unui fulg de zapada care incepea sa creasca in laborator Libbrecht a putut sa analizeze mecanismul de crestere la o scara foarte mica. (Fig. 2).

Fig. 2. Cateva cristale de gheata crescute in laboratorul lui Kenneth Libbrecht.

Prin aceste experiente Kenneth Libbrecht considera ca poate sa genereze o crestere controlata intr-o solutie formata din atomi de siliciu, important este sa gaseasca parametrii optimi care sa motiveze auto-structurarea intr-un mediu diferit de cel al apei folosind minim de resurse asa cum se petrece aceasta in natura.
Auto-asamblarea este un fenomen intalnit mai ales la celulele biologice. La ora actuala se considera ca natura construieste prin repetitie, la fiecare nivel al ei, atat in ce priveste ADN-ul, precum si modul de aranjare al moleculelor de apa si, nu in ultimul rand, aranjarea celulelor vii in organismul uman. Din acest punct de vedere, forma hexagonala a fulgilor de nea este provenita din insasi structura orbitalilor electronici ai atomului de oxigen, din componenta moleculei de apa.

Forma cristalina - structura geometrica arhetipalaDe mai multa vreme, cercetatorii au constatat ca, in anumite conditii, o configuratie de atomi actioneaza precum un sablon, provocand aparitia unei aranjari similare la o alta substanta chimica. Prin acest fenomen exista speranta ca se va gasi o metoda prin care atomii de siliciu sa se aseze in forma de mono-cristal, provocat de o aranjare epitaxica, folosind parametri optimi de lucru. S-a observat ca forma generata intr-un cristal natural se aseamana cu un fractal.
Ideea folosirii matematicii fractale a atras atentia unor oameni de stiinta de la Princeton. Intr-un articol publicat in decembrie 2005 pe site-ul oficial al Universitatii echipa de cercetatori, condusi de Salvatore Torquato, afirma ca au gasit o modalitate noua de a studia proprietatile cristalelor auto-structurante. In loc sa studieze modul in care se auto-asambleaza diferitele culturi de cristale ei sustin ca decid cum sa arate cristalul la final si folosind matematica fractala gasesc cele mai bune propuneri de a folosi diverse medii in care acest proces sa poata da un final garantat. Din miile de propuneri introduse intr-un program de calculator se desemneaza mai multe directii probabile de lucru din care cercetatorii initiaza o noua runda de studii. Acest proces se deruleaza pana cand se ajunge la cateva variante optime de lucru si care se finalizeaza cu gasirea unui proces optim care poate fi materializat tehnic. Prin acest mod, recunosc cercetatorii, aduc o minimizare al cheltuielilor fondurilor alocate in cercetare si consumul de energie al tehnologiei ulterioare este minimizat.

Supracoductibilitatea - speranta pentru viitorPaul Chaikin, profesor de fizica la Universitatea New York, a anuntat ca intentioneaza sa faca experimente bazate pe studiile din propriul laborator asupra coloizilor, folosind programul oferit de Torquato si colegii sai. Studiul sau in domeniu este important datorita faptului ca poate fi de un real folos in eforturile de obtinere al supra-coductibilitatii. Cercetarile asupra sarurilor metalice organice in domeniul supra-coductibilitatii au dus la aceleasi observatii precum cele ale profesorului Torquato de la Princeton. Pentru a putea crea cristale prin care raspunsul electric sa fie maxim, fara pierderi in sistem sau franarea curentului electric este nevoie de o organizare interna minutioasa, structura care se regaseste cel mai adesea la celulele biologice.
Cercetatori ai Universitatii Duke din Statele Unite au folosit observatiile asupra modului de auto-structurare al celulelor biologice si au propus un experiment prin care sa se foloseasca de programul initiat de profesorul Torquato de la Princeton, aplicand-o asupra formarii si structurarii ADN-ului.
Ideea de baza este construirea unei retele bine definite combinand nano-structuri anorganice impreuna cu structuri de ADN. Procesul este asemanator cu tehnica de litografiere din prezent, declara Thom LaBen, unul dintre autorii acestei cercetari. (Fig. 3).

Fig. 3. Nanoretele formate din structura de ADN construite pentru a crea forme recurente fractale. Tehnologia foloseste un minim de resurse energetice pentru ca natura biologica are informatia de baza care printr-o singura informatie genereaza intreaga structura dorita.

Diferenta dintre formele organizate artificial si structurile aranjate organic este ca probabilitatea ca o substanta sa cristalizeze la fel in conditii asemanatoare este mult mai mica decat in natura biologica, unde structura vie are un program ce ordoneaza celulele intr-o forma pre-definita. Combinarea viului cu structuri cristaline anorganice poate sa aduca un aport de cunostinte, poate inca, nebanuite.

Memoria materiei - structura informatieiDin cele descrise mai sus putem intelege ca pentru a identifica o modalitate de a cristaliza la comanda o solutie chimica este nevoie sa apreciem mediul exterior care intervine in proces.
Simpla compunere a presiunii, temperaturii, vascozitatii, magnetismului sau electricitatii nu sunt suficiente pentru a determina o structura sa se cristalizeze intr-o forma predefinita artificial. Costul unui astfel de proces este mult mai mare decat daca s-ar produce natural, ceea ce inseamna ca omenirea nu cunoaste inca natura intima a materiei si energiei.
Studiile actuale deschid calea catre a intelege materia in profunzimile ei de baza. Diversi oameni de stiinta considera ca materia este o energie condensata intr-o forma specifica. Fizicieni precum Fritjof Capra, laureat al premiului Nobel, Bedri C. Cetin, sau diversi cercetatori mai vechi precum Nikola Tesla sau N. Kozarev au atras atentia asupra faptului ca, in esenta, materia se comporta mai degraba precum o unda de energie decat ca structura compacta, atunci cand este studiata in formele ei de baza (protoni, neutroni, electroni). Forma compacta si dura a materiei este o aproximare si modul in care se combina atomii in formatiuni structurate depind, intr-o mare masura, de modul in care se combina orbitalii electronici de la mai multi atomi.
Luand in considerare teoria conform careia materia este energie, iar energia este informatie, am putea realiza ca pentru a putea determina materia sa creeze structuri geometric ordonate este nevoie sa ii dam informatiile necesare adecvate. Informatia este transmisa prin intermediul unui camp electro-magnetic care are o lungime de unda comparabila cu dimensiunile zonei careia se trimit specificitatile dorite.
Cert este ca structurarea materiei nu se produce haotic, ci ea urmeaza o matrice informationala posibil de accesat prin intermediul campului electro-magnetic de o intensitate medie dar care respecta cu strictete informatia ceruta.
In data de 15 octombrie 1997 Academia Regala Suedeza de Stiinte a decis acordarea premiilor Nobel pentru fizica lui Steven Chu, lui William D. Phillips si lui Claude Cohen-Tannoudji pentru descoperirea unor metode de ordonare a atomilor cu ajutorul fasciculelor laser. Tehnica a fost fundamentata si realizata practic de Arthur Ashkin - fizician american care a lucrat in cadrul Bell Telephone Laboratories si premiat pentru inventia sa.
Metoda folosita de Arthur Ashkin impreuna cu colaboratorul sau Steven Chu de la Bell Laboratories din Holmdel, New Jersey este de a folosi sase lasere opuse doua cate doua, aranjate pe trei directii in unghi drept precum si adaugarea unei capcane magneto-optice. Atomii de sodiu, fiind substanta folosita in experientele preliminare, au fost opriti de un fascicul laser opus ca directie, dupa care atomii au fost directionati catre cele sase lasere. Acestea aveau o frecventa diferita de cea a luminii absorbite de atomii de sodiu. Astfel, in orice directie ar fi incercat atomul de sodiu sa se deplaseze acesta intalnea un fascicul laser care-l aducea in pozitia de intalnire a fasciculelor. (Fig. 4).

Fig. 4. Constructia teoretica a dispozitivului de sase lasere dispuse doua cate doua in mod perpendicular.

Prin aceasta tehnologie s-a deschis poarta folosirii unui singur atom pentru o memorie cuantica, mult mai eficienta si cu un grad de memorare urias. Prin noua descoperire bilantul energetic s-a modificat simtitor. Pierderea energetica a scazut cu pana la 70%. De loc intamplator fizicianul Steven Chu este creditat cu punerea in aplicare a ambitiei Presedintelui Barack Obama de a investi in energia curata si regenerabila in SUA. El a fost ales Ministru al energiei si militeaza pentru tehnologii curate si este cunoscut ca un infocat sustinator al teoriei energiei libere.

Dr. Steven Chu, om de stiinta distins si co-castigator al Premiului Nobel pentru Fizica (1997), este dedicat carierei sale stiintifice pentru a gasi noi solutii la provocarile de mediu - o misiune pentru care i s-a oferit postul de Ministru al energiei in SUA. Anterior numirii sale, Dr. Steven Chu a fost profesor de Fizica moleculara si biologie celulara la Universitatea din California. El a aplicat cu succes tehnicile dezvoltate, impreuna cu Arthur Ashkin, inca din anul 1995, in domeniul fizicii atomice pentru biologie moleculara. Din 2004, motivat de interesul sau profund in schimbarile climatice, a condus Lawrence Berkeley National Lab. in cautarea de alternative noi in energiile regenerabile.

ConcluziiImportanta pe care o da omul protectiei mediului inconjurator este un aspect pozitiv. Toate acestea sunt bune daca urmarim sa invatam cum sa consumam din ce in ce mai putine resurse energetice, pastrand o armonie cu natura. Dintr-un anumit punct de vedere am putea spune ca Universul produce mai multa energie decat consuma, o ipoteza indrazneata care a trezit interesul mai multor oameni. Descoperiri geniale sunt inca putin folosite pentru ca mentalitatea generala este inca adand ancorata in materia dura si in tendinta unui consum ridicat energetic si al resurselor naturale.
Cand umanitatea va intelege ca energia este inepuizabila in Univers va reusi sa faca un salt calitativ al conceptiei vietii. Abia atunci aparate simple si eficiente vor intra in viata noastra intr-un mod natural, firesc.
Construirea unor generatoare de curent alternative este o idee buna. Construirea unei mentalitati adecvate este insa o necesitate stringenta.