"Viem že neviem" - tieto slová jedného z otcov západnej Tradície varujú pred jednostranným pohľadom na svet a poukazujú na možnosť ktorá je rozumu daná, možnosť spochybniť úplne všetko až do takej miery že pochybujúce vedomie stratí pevnú pôdu pod nohami. A tak sa už tisícročia filosofi medzi sebou hádajú o tom či je prvotná myseľ alebo hmota, pýtajú sa čo je základom nášho sveta a či je vôbec možné nejaký takýto základ nájsť. Ajkeď je namieste námietka tvrdiaca že tieto hádky sú zväčša len planým víchrom slov tých, ktorí nič iné ako rozumovať nedokážu, predsa sa ukazujú byť niektoré z filosofických náhľadov minulosti nesmierne trefné a...prakticky využiteľné.

K jednému z takýchto náhľadov dospeli pred tisíckami rokov v antických záhradách kráčajúci atomisti. Demokritos, Lucretius - tieto mená sú až do dnešných čias symbolom lásky k poznaniu. Tvrdili že svet sa skladá zo základných nedeliteľných stavebných blokov - atómov (z gréckeho a-tomos ne-deliteľný). Tvrdili že tieto atómy sa pohybujú v prázdnote, narážajú do seba, utvárajúc tak väčšie celky. Ťažko povedať čo ich k takejto predstave viedlo - možno odraz slnečných lúčov na drobných čiastočkách prachu na povrchu oka ktorý pre pozorovateľa hladiaceho k nebesiam vytvára obraz kruhovo symetrických štruktúr, možno samotná skúsenosť s jazykom , alfabetou. Veď každé slovo je predsa možné rozdeliť na písmenné znaky - základné stavebné bloky filosofovho sveta - no ďalej ich už deliť nemožno. Na úrovni písmen tak analytická metóda rozkladania na menšie a menšie časti nachádza svoju krajnú medz - a atomisti možno práve preto predpokladali že podobnú medz možno nájsť aj v svete hmoty.

Svoj exkurz do ríše mikroskopov ktoré sú schopné nám poskytovať obraz o svete kde sa vzdialenosti merajú v miliardtinách metra - v nanometroch, nezahajujem v kvetnatých záhradách atomistov náhodou. Chcem totiž poukázať na skepsu ktorá sa ozývala v mojej mysli pri pohľade na elegantné oceľové monštrum v suteréne fyzikálneho ústavu akadémie vied. Pýtal som sa - "ako si môžeme myslieť že vidíme pravdivý obraz nanosveta ?". Ako adept filosofie som si totiž bol vedomý toho, že teórie - ako napr. teória že svet sa skladá zo základných stavebných blokov- tj. teórie skrze ktoré nahliadame na svet sú v prvom rade myšlienkové a jazykové konštrukty ktoré sa vyvíjali v historickom procese. Preto úvodom tohto článku poukazujem na to, do akých dávnych časov, ako nesmierne hlboko v ontogenéze našej Kultúry siahajú korene atomizmu.

"Ak sú však naše teórie človekom vytvorené a skrze človeka sa vyvíjajúce, ako je možné že fungujú ? A fungujú vôbec ?" pýtal som sa. Keď sa človek takto pýta, mal by si v prvom rade ozrejmiť aký význam v danom kontexte nesie sloveso "fungovať". Tu je ním myslené toto - teória funguje do tej miery do ktorej odzrkadľuje okolitý svet tak, že sa na jej základe, a na základe pravidiel ktoré z nej logicky vyplývajú dajú zostrojiť experimenty v okolitom reálnom svete ktorých empirické výsledky nebudú v rozpore s použitým teoretickým aparátom. To je v skratke opis experimentálnej metódy ktorá je základným zdrojom selekčného tlaku v darwinistickom výbere idejí už od čias Galileiho.

Galileo zhodou okolností nebol iba muž ktorý ako prvý nahliadol na určité pravidelnosti v pohybe tuhých telies ktoré následne formalizoval. Bol zároveň aj otcom teleskopu a mikroskopu - optických zariadení ktoré nám umožňujú hľadieť na veci veľké a malé. Schopnosti optiky boli niekoľko stáročí dostatočné, no potom prišla doba kedy ľudia v svojej túžbe vidieť svet čoraz menší narazili na bariéru - a tou bariérou bola vlnová dĺžka svetla ktorá sa v prípade toho viditeľného pohybuje v rádoch stoviek nanometrov. Všetko menšie ako 200nm čo je veľkosť pol-vlny viditeľného svetla s najkratšou vlnovou dĺžkou unikalo zvedavému pohľadu. Bolo potrebné objaviť iné médium na komunikáciu so skúmaným predmetom - médium s kratšou vlnovou dĺžkou.

Inžinieri si na pomoc pri riešení tohto problému zobrali princípy rodiacej sa kvantovej mechaniky podľa ktorej majú objekty mikrosveta dvojaký charakter - vlnový a časticový. Podotýkam že tento obrat vo vývoji vedy ktorý sa začal uskutočňovať v prvej polovici minulého storočia začal čoraz nástojčivejšie klásť medzi inžinerovu skúsenosť - subjekt a skúmaný predmet - objekt niečo tretie - teóriu. Vedec samotný, so svojim zrakom, sluchom, čuchom , chuťou a hmatom je ľudská bytosť ktorá prvotne nebola uspôsobená na nazieranie na mikro či makrosvet. Čoraz väčšie množstvo javov je však dnes človeku zprostredkovaných - a s každým sprostredkovaním narastá pravdepodobnosť pokrivenia obrazu a získania nepravdivej predstavy, tj. predstavy ktorá nieje v súhlase s objektívnymi stavmi vecí. Také niečo môže mať v svete exaktnej vedy fatálne dôsledky. Preto sa v tomto texte pokúsim vypátrať či k podobnému omylu nedochádza v prípade zrodu toho čo možno nazvať nanotechnologickou revolúciou.

Jedna z metód ako nahliadať na mikrosvet je difrakčná metóda v ktorej je nám odraz množstva lúčov poskytuje vstupné dáta pre výpočet ktorý nám v ideálnom prípade odhalí 3D štruktúru objektu. V takomto prípade je na mieste pochybovať o tom či výsledný obraz odráža skutočnosť - aspoň z dvoch dôvodov - 1) vzorce do ktorých sú dáta vkladané sú výtvormi ľudského ducha 2) proces výpočtu je z praktických dôvodov plný aproximácií. Možno namietnuť že ľudský duch - rozum - je prejavom rozumu božského a preto upriamim svoju pozornosť na druhú námietku.

Som presvedčený o tom že akýkoľvek spôsob vyžadujúci menší počet sprostredkovateľských výpočtov znižuje pravdepodobnosť získania nesprávneho názoru a preto ma zaujímalo čím bola , je a bude metóda lúčovej difrakcie nahradená. Kvantová mechanika hovorí že častica - napr. elektrón - s vyššou energiou má kratšiu vlnovú dĺžku ako elektrón s nižšou energiou. A tak je možné už nie pomocou fotónov, ale pomocou vysokoenergetických elektrónov čoraz jemnejšie a jemnejšie nahliadať na textúru vzorky. Taký je princíp elektrónových mikroskopov, prvý bol uvedený v činnosť už v roku 1931.

O 50 rokov neskôr zostrojili Binning a Rohrer v laboratóriách IBM v Zurichu prvý skenovací tunelový mikroskop (STM) s ešte oveľa jemnejším rozlíšením. Ajkeď sa objav spočiatku stretol so značným skepticizmom - čo je myšlienková línia ktorú sa čiastočne v tomto texte tiež snažím odprezentovať- jeho schopnosť zobraziť povrch materiálov s rozlíšením menším ako 0.1nm ,čo je dostatočné na náhľad na svet jednotlivých atómov, odštartovala nanotechnologickú revolúciu. Obaja vedci získali za svoj vynález v roku 1986 Nobelovu cenu.

Idea STM je fundovaná "tunelovacím efektom" ktorý vyplýva zo základných princípov kvantového sveta. Elektrón v kvantovom svete nieje presne lokalizovaný, možno skôr povedať že sa nachádza tu aj tam, len s inými pravdepodobnosťami - elektrón sa vyskytuje, akoby tuneluje, v oblastiach a do oblastí kde by podľa klasickej mechaniky nemal nič robiť. Teória hovorí, že v závislosti od napätia medzi dvoma povrchmi vykazujú elektróny tendenciu tunelovať-preskakovať z jednoho povrchu na druhý, utvárajúc tak elektrický prúd. Taktiež hovorí že veľkosť tohto prúdu je exponenciálne závislá od vzdialenosti medzi dotyčnými povrchmi.

Jedným z povrchov o ktorom hovoríme je skúmaná či prípadne manipulovaná vzorka, substrát. Nevýhodou STM je, že na to aby mohol fungovať musí byť substrát vodivý. Medzi nevodivými izolantmi a hrotom STM nemôže dochádzať k elektrickému prúdeniu - na prácu s takýmito materiálmi je teda treba použiť iný prístroj, napr. pokročilejší AFM - atomic force microscope - ktorého opisu sa však okrem záverečných odstavcov žiaľ nemôžem vrámci tohto článku obšírnejšie venovať.


Druhým povrchom ktorý je takpovediac "v hre" je už spomenutý hrot. Jedná sa o vodivú pyramidálnu štruktúru zakončenú v ideálnom prípade jedným jediným atómom. Vytvorenie hrotu nemusí , teoreticky, byť až tak náročné ako sa na prvý pohľad môže zdať - plynulé odťahovanie opačných pólov nahrievanej sklenenej trubice smerom presne od seba by malo poskytnúť túžený výsledok.

Elektrónový oblak atómov na povrchu vzorky presahuje,tuneluje, kúsok nad vzorku.Výsledkom blízkeho priblíženia hrotu k vzorke je silná interakcia medzi elektrónovým oblakom vzorky a elektrónovým oblakom hrotu. Za použitia malého napätia začne dochádzať k elektrickému prúdeniu. Keď je vzdialenosť medzi oboma iba niekoľko atómových polomerov, tunelovací prúd mohutne narastá s s tým ako vzdialenosť medzi hrotom a povrchom klesá. Rapídna zmena tunelovacieho prúdu s poklesom vzdialenosťi zodpovedá za jemné rozlíšenie výsledného obrazu skenovaného povrchu.

Súčasťou STM je systém so zpätnou väzbou ktorý neustále znovuupravuje vzdialenosť medzi hrotom a vzorkou, udržujúc tak prúd konštantný. Táto úprava vzdialenosti sa deje pomocou zmeny použitého v piezoelektrickej súčiastke zariadenia. Táto keramická súčiastka sa zväčšuje či zmenšuje v závislosti od použitého napätia čo má za následok kontrolu pohybu na subatomárnej úrovni. Zmeraním posunu vo výške, ktorý je úmerný napätiu v piezo súčiastke, získavame dáta o povrchovej štruktúre skúmaného materiálu.

Takto možno v skratke opísať základné fungovanie STM. Všetko ostatné, ako napr. hermeticky uzavrená vákuová komora či odolnosť voči okolitým otrasom sú nevyhnutnými súčasťami zariadenia, no sú to zároveň zložky zariadení iných. Taktiež sa tieto moduly nepodieľajú na získavaní a spracovaní dát a tak niesú predmetom môjho "filosofického" záujmu v tomto článku.

To čo sa pýtam je, či obraz ktorý som videl na obrazovke monitora verne reprezentuje skutočný stav vecí v nanosvete, alebo je to len počítačom spracovaná pravidelná bitmapa ktorá síce ohromí, no v konečnom dôsledku vypovedá viac o štruktúre našich teórií ako štruktúre skúmanej vzorky. Objasňujem - to čo sa v skutočnosti odohráva je pohyb miniatúrneho hrotu po povrchu vzorky počas ktorého dochádza k zmene istých fyzikálnych veličín v piezokryštáloch nosníka. Veličiny ktoré v skutočnosti meriame a modulujeme sú napätie a prúd - v prípade konštantného prúdu dochádza k zmene napätia a vice versa.

Túto záplavu dát o zmenách merateľných parametrov elektromagnetických síl si následne skrze pojmový aparát našich teórií prekladáme do "pre človeka zrozumiteľnejšej" reči vzdialeností a diskrétnych častíc. Keď som sa počas exkurzie opýtal či niekde medzi snímacím zariadením a grafickým výstupom nedochádza k použitiu istého matematického aparátu, napr. vzťahov ktoré vyplývajú zo Schrodringerovej rovnice , odpoveď znela "nie". Ja však predsa tvrdím, na základe mojich chabých, z Internetu nadobudnutých znalostí, že minimálne k jednému takémuto prekladu predsa dochádza, a to aj v prípade STM ktoré je zo všetkých skenovacích sond zariadením najjednoduchším. Je to moment kedy je zmena hodnoty prúdu či napätia prepočítavaná na zmenu vzdialenosti , na tzv. nadskončenie nad hrbolom.

Tvrdím, že keby sme získané dáta, ktoré istotne niečo vypovedajú o pohybe hrotu v blízkosti vzorky intepretovali skrze iný aparát, výsledný obraz by mohol byť zásadne iný. Možno by sme uvideli že aj mikrosvet je lúka posiata kvetmi, že každý atóm je vlastne víriaca galaxia v zmysle Hermovho "čo je hore, je aj dole"...a možno nie. Isté je, že tak dnešná akademická obec činí len v malej miere. Získané empirické dáta vkladá do rovníc dogmaticky prevzatých z minulosti...a je čoraz úspešnejšia v znásilňovaní sveta.

Filosof môže mnohé namietať proti presvedčeniu inžiniera o tom že najzákladnejším princípom sveta je jeho rozdelenie na základné jednotky Bytia. Môže hovoriť o tom že stačí zmeniť metódu pohľadu a korpuskulárny svet sa zrazu zmení na jednoliate bublajúce Pole. No jedno inžinerovi uprieť nemožno - teórie ktoré počas stáročí utvára sa dajú použiť na konštruovanie čoraz jemnejších a komplexnejších zariadení ktoré prosto fungujú. Málokto sa dnes pozastaví nad existenciou počítačov, veď aj tento text je na jednom z nich písaný, no tvrdeniu že o 150 rokov sa zmestí na niekoľkomilimetrovú doštičku 590miliárd tranzistorov, logických hradiel ktoré budú mnohé roky bez problémov vykonávať od iných podobných strojov prijaté programové inštrukcie, tomu by pravdepodobne neverila ani kňažná Lovelace či Charles Babbage. A to všetko funguje vďaka kombinácii atramentových formuliek ľudí ako Maxwell, Einstein Russell, Wittgenstein, Heisenberg, Schrodringer, Turing.

Podobne sa asi v budúcnosti len málokto pozastaví nad prítomnosťou zariadení založených na dnešných, AFM (Atomic Force Microscope), LFM (Lateral Force Microscope), MFM (Magnetic Force Microscope), EFM (Electric Force Microscope) priamo v domácnostiach a v miniatúrnych verziách. Tieto roztomilé "hračky" dokážu totiž na hmotu na subatomárnej úrovni nazierať, ale dokážu s ňou aj tak či onak manipulovať - a to už je schopnosť priam pekelná, ktorá nás približuje k zariadeniu s názvom "kompilátor hmoty". Kto neverí, nech si pozrie známy obrázok z experimentu spred 18 rokov !!! počas ktorého si hraví vedci napísali z atómov xenónu nápis IBM . Toto zariadenie ktoré v sebe s veľkou pravdepodobnosťou zastreší mnohé z idejí ktoré sa momentálne využívaju spomenutých skenovacích sondách bude schopné zostrojiť predpísané molekulárne štruktúry na základe programu ktorý mu dodáme. A to je niečo čo by každá inštitúcia rada zhodnotila a tak sa ekonomicko-vojenský pretek v tejto oblasti práve začína.

Ako laik ktorý pravdepodobne nikdy nepochopí subtílne detaily princípov z predstavy ktorých boli ideje týchto zariadení odvodené sa môžem iba snažiť o to aby bola nanotechnologická revolúcia nenásilná, radostná a čo najviac smerujúca ku kráse. Čochvíľa si bude môcť šikovnejšie dieťa postaviť mikroskop podobný STM v svojej domácej dielničke a tvrdím že by bola škoda keby sa všetci pozerali iba na svet zložený z guľôčok keď stačí trochu poupraviť metodiku prístupu, prípadne finálnu formulu na spracovanie dát a zrazu môže pozorovateľ nazrieť na úplne nové vzťahy. Možno mu to nebude užitočné a nezostrojí nový materiál pre tankový pancier no príjemne sa pritom zabaví a istotne sa aj niečo naučí.

Vo väčšine tohto textu som sa snažil zaujímať takzvaný "fenomenologický prístup k svetu", prístup v ktorom sa pozorujúce vedomie neustále snaží o to nestrácať z mysle že sa na javy v okolitom svete pozerá skrze množstvo vlastných myšlienkových konštruktov - teórií a modelov. Niektoré teórie sa hodia na skúmanie onoho javu, iné zas na skúmanie javu iného a čo to znamená "vhodné" nech posúdia iní. O čo fenomenológovi totiž ide nieje spochybnenie všetkých doterajších teórií, z ktorých mnohé sú prekrásnymi šperkami ducha , ide mu v jeho vedomej snahe o jediné - uvedomovať si, že teórie sú neustále prítomné, a že sú to...teórie. A teórie môžu byť aj iné.

Takýmto predbežným "uzátvorkovaním" všetkých predbežných predsudkov by sa mal podľa zakladateľa fenomenológie Husserla filozof dopracovať k jasnejšiemu a celistvejšiemu náhľadu na skúmanú vec. Práve z úcty k mnohosti prírody by som preto týmto rád upriamil pozornosť vedcov a inžinierov na fakt že existuje neprieberné množstvo spôsobov akými možno nahliadať na objekty sveta vôkoľ nás, a pred niekoľkými odstavcami spomenuté skenovacie sondy sú len "prvými lastovičkami".

Ako filozof majúci rád slovo ,a tiež aj epochálnu víziu sveta nanotechnológií Diamantový vek z pera Neala Stephensona preto týmto nazývam fenomenoskopom akékoľvek zariadenie či kombináciu zariadení ktorých fungovanie je podložené ľubovoľným teoretickým modelom ktorý objasňuje pravideľnosť vo výskyte určitého empirického javu.