Potencjał nanotechnologii

Obecnie jednym z najmodniejszych słów jest nanotechnologia. Termin ten stał się tak popularny, że wiele firm dodaje do swoich nazw przedrostek „nano”.

Tu jednak pojawia się pytanie: „czy my tak naprawdę wiemy, co to jest „nano”? oraz „co termin ten oznacza dla systemów sterowania”?

Po pierwsze rozważmy kwestie samej wielkości. Nanometr to jedna tysięczna mikrometra (µm); to jedna milionowa milimetra (mm); to jedna miliardowa metra (m) – czyli jest to coś bardzo, bardzo małego.

Kiedy zaczynamy rozważać odległości na tym poziomie, dosyć często stosowana jest również inna jednostka, a mianowicie Angström (Å), który odpowiada 0,1 nanometera (nm).

Omówiliśmy kilka definicji. Przełóżmy je teraz na elementy świata fizycznego, które wszyscy znamy, np.: włosy, ziarno piasku czy nawet atom. Ludzkie włosy mogą mieć bardzo różne średnice, ale jako wartość typową przyjmuje się zazwyczaj 100 µm (gigantyczny włos). Średnica przeciętnego atomu wynosi ok. 0,1 nm lub 1Å.

Tak więc kiedy rozmawiamy o wielkościach nm i sub-nm, mówimy o skali wielkości atomów. Rozważmy teraz, jak te wielkości mają się względem siebie. Na przykład średnicy włosa odpowiada ok. jeden milion atomów. Gdybyśmy ułożyli milion średnic włosów jedna na drugiej, otrzymalibyśmy stos o wysokości 100 m. To tak jakby położyć na boku boisko do piłki nożnej.

Mamy już wyobrażenie o skali wielkości jednego nanometra; teraz porozmawiajmy o tym, jak ma się nanometr do systemów sterowania. Co to oznacza? Aby to zrobić, rozważmy kilka kluczowych definicji, a w szczególności: dokładności, precyzji, powtarzalności oraz rozdzielczości. Dokładność to miara ilościowa określająca stopień zgodności z uznanymi standardami pomiarowymi. Powtarzalność to miara zdolności maszyny do umieszczenia narzędzia w tym samym miejscu lub też zdolność procesu do bezbłędnego powtórzenia pomiaru w podobnych warunkach. Rozdzielczość to najmniejsza podziałka urządzenia pomiarowego; najmniejszy istotny bit (najmniejszy krok) w maszynie cyfrowej.

Termin precyzja jest często używany jako synonim powtarzalności, jednak jest to termin przestarzały. Porównując to do strzelania do celu, dokładnością byłaby zdolność osoby strzelającej do „trafienia w dziesiątkę”, bez względu na rozległość „tarczy”, powtarzalnością byłaby zdolność trafiania jak najbliżej tego samego miejsca po raz wtóry i kolejnym razem, a precyzją wielkość otworów, jakie strzał zostawił w tarczy.

Mając to na względzie, rozważmy kwestie sterowania kilkoma bardzo poważnymi maszynami. Pierwsza z nich to Large Optics Diamond Turning Machine (LODTM, co oznacza mniej więcej tyle, co „duża, diamentowa tokarka obrotowa do obróbki przyrządów optycznych”, chodzi o soczewki, zwierciadła itp.) znajdująca się w Narodowym Laboratorium – Lawrence Livermore National Laboratory. Maszyna ta jest w stanie wykonać część o średnicy 1,5 m, zachowując precyzję do 25 nm. Oznacza to, że maszyną można sterować z dokładnością jednej części na 100 milionów – co można porównać do zachowania tolerancji 0,001 µm na część o średnicy 1 mm. Innym doskonałym przykładem jest pracująca w Narodowym Instytucie Standardów – National Institute of Standards and Technology (NIST) maszyna do pomiarów cząsteczkowych (molecular measuring machine – M3), która jest w stanie wykonywać pomiary z dokładnością do nanometra, mierząc elementy umiejscowione w obszarze o wielkości 50 na 50 milimetrów. Jak można wyczytać na stronie internetowej NIST: po udoskonaleniu M3 będzie można porównać do znajdywania dwóch oddalonych od siebie ziaren piasku rozrzuconych na obszarze pustyni o wielkości 2500 km2 i zmierzenia dzielących je odległości z dokładnością do wielkości średnicy jednego ziarna piasku.

Taki wynalazek robi wrażenie, a tego rodzaju instytucje wspomagają unowocześnienie rozwiązań produkcyjnych i automatyzacyjnych.

Potrzeba będzie naprawdę wielkich wynalazków, żeby pobić submikroskopową wielkość nanometra. Ta mała jednostka postawi poważne wymagania przed technologiami użytkowymi. Inżynierowie zaś zajmujący się automatyką precyzyjną, w powszednim trudzie swojej pracy, nie bez powodu nabrali ogromnego szacunku dla tej, jakże małej, jednostki.

Thomas R. Kurfess jest profesorem na Uniwersytecie Inżynierii Mechanicznej im. George’a W. Woodruffa w USA.