Zoals de versnelde technologieontwikkeling tijdens de industriële revolutie de massaproductie van goederen en materialen mogelijk maakte, zo zal de snelle technologische vooruitgang bij het begin van de eenentwintigste eeuw leiden tot twee belangrijke kenmerken voor productvernieuwing: een product zal ‘intelligent’ zijn en het zal draadloos communiceren. Wat zijn de drijfveren achter deze evolutie en wat zullen de gevolgen zijn voor de wetenschappen, de economie en de maatschappij?
Nanotechnologie: bron van innovatie
De stelling van Moore impliceert een enorme wetenschappelijke en technologische uitdaging. De basiscomponent van de micro-elektronica is de transistor. Een transistor kan signalen versterken en doorgeven. Met een aaneenschakeling van transistoren worden logische poorten gemaakt, geheugenregisters en uiteindelijk ook complexe rekenautomaten. Grote processoren in een computer bestaan uit tientallen miljoenen componenten en de complexiteit van het totale systeem is omgekeerd evenredig met de fysische dimensie van die componenten. De kritische dimensie van de transistor wordt daarom steeds verkleind.
Deze evolutie kan eveneens met behulp van de stelling van Moore worden begrepen. Op dit moment is de kritische dimensie van een transistor 130 nanometer (nm) en deze zal snel nog verder verkleinen naar 90 nm en 65 nm. Met het voorbijsnellen van de 100nm-baken wordt de micro-elektronica herdoopt in nano-elektronica. De exponentiële evolutie kan maar worden gehandhaafd door nieuwe materialen in het productieproces van de transistor in te bouwen: materiaallagen die slechts enkele nanometer dik zijn. Begrijpelijkerwijze vormt dat een zeer grote uitdaging voor het materiaalonderzoek, dat met de grenzen worstelt van de atomaire precisie. Het steeds kleiner maken van de dimensies (en de snelheid waarmee dit gebeurt) brengt ons in afzienbare tijd tot een fysische grens, namelijk die van de granulariteit van het atoom.
Het materiaalonderzoek worstelt met de grenzen van de atomaire precisie
Het bekijken van de materialen in een elektronische component als een continuüm wordt intussen inadequaat en de kwantummechanische effecten bepalen nu al de werking van de elektronische componenten. De evolutie in de nano-elektronica steunt op een heel andere kijk op materialen. Materialen en materialenkennis zijn niet langer het resultaat van een ontginning en een deductieve analyse. Integendeel, materialen worden in de nanotechnologie ontworpen voor een bepaalde functie. De keuze van de atomen en hun stapeling in een rooster bepalen de zogenaamde bandenstructuur voor energie van de elektronen. Die wordt rechtstreeks vertaald in hun eigenschappen: fysische, chemische en – belangrijk in deze toepassingen – elektrische en optische.
In principe kan een materiaal met de gewenste eigenschappen worden ontworpen. Het kan ook worden geconcipieerd om selectief te reageren op omgevingsfactoren zoals licht en temperatuur. Dergelijke materialen worden treffend aangeduid als ‘slimme materialen’. Er is echter nog meer. In de nano-elektronica worden de dimensies van het materiaalvolume zo klein dat de eigenschappen van het materiaal veranderen: een nieuwe invalshoek en een nieuw onderzoekstraject om nieuwe eigenschappen te creëren. Materialen op kleine schaal hebben verrassend andere eigenschappen. Dit begrijpen, maar vooral ervan gebruik maken, zal leiden tot een belangrijke technologische innovatie.
Het verder verkleinen van de kritische dimensie is niet de enige drijfveer bij deze innovatie. Ze wordt gecombineerd met de bredere contextuele doelstelling: het realiseren van meer functies per oppervlakte-eenheid, en dat betekent niet alleen méér elektronische functies maar ook andere, zoals bijvoorbeeld optische functies. Inderdaad, het begrip ‘draadloze communicatie’ verwijst meer en meer naar het gebruik van het hele gamma van elektromagnetische golven, uitgebreid dus met het zichtbare licht, om signalen door te sturen. Onderzoek om elektrische en optische functies samen te realiseren is volop aan de gang. Meer en meer wordt hier gebruik gemaakt van zelforganisatie. Zelforganisatie betekent dat twee verschillende bouwstenen van een systeem in eenzelfde omgeving dicht bij elkaar worden gebracht en dat ze zich autonoom zullen organiseren tot een aggregaat. De bouwstenen kunnen twee kleine chips zijn, één met een elektronische en één met een optische functie, die eerst geometrisch met elkaar worden verankerd en vervolgens via een soldeerproces elektrisch worden verbonden.
Deze zelforganisatie overtreft wat kan met robotica en is een belangrijke illustratie van de mogelijkheden van zelforganisatie, maar ook van haar beperkingen. Omdat het geometrisch verankeren van deze bouwblokken associaties oproept met het stapelen van legoblokjes en het mechanisme ervan zeer doorzichtig is, legt het ook meteen de klemtoon op de beperkingen inzake ongecontroleerde uitbreidbaarheid.
Het loont de moeite stil te staan bij deze zelforganisatie, want ze vormt een scharnierpunt tussen evolutionaire technologie en revolutionaire technologie. Het technologische proces voor het maken van geïntegreerde schakelingen was tot nog toe uitsluitend gebaseerd op het aanbrengen van lagen van materiaal om ze dan via lithografische processen chemisch of fysisch te verwijderen op welbepaalde plaatsen. Dit proces, dat de top down benadering van nanotechnologie wordt genoemd, wordt meer en meer vervangen door zelforganisatie of de bottom-upbenadering van nanotechnologie. De plaats waar het atoom of de molecule tijdens een groeiproces zal neerstrijken, is vooraf bepaald: zelforganisatie wordt georkestreerd op atomair en moleculair niveau.
Wetenschappers hebben intussen geleerd hoe kleine, of liever nano-, atoomeilandjes te maken, nanodraden en nanokoolstofbuisjes. De nanotechnologie ageert op dezelfde schaal als het moleculaire niveau van de biologische processen. Meer nog, de logische functies van transistoren worden vertaald in het gedrag van organisch en biologisch materiaal. De wetenschappelijke uitdagingen zijn enorm, want ook het elektrisch sturen van biologische moleculen daagt aan de onderzoekshorizon. Zelforganisatie gaat in het huidige onderzoek een stap verder en wordt op moleculair of atomair niveau geïmplementeerd.
Ook het elektrisch sturen van biologische moleculen daagt aan de onderzoekshorizon
De economische gevolgen van deze technologische omwenteling zijn niet te onderschatten. Bovenal is het belangrijk na te gaan op welke manier deze groei economisch werd gerealiseerd. Het economisch haalbaar houden van de productie van geïntegreerde schakelingen, waarvan de kostprijs trouwens ook exponentieel stijgt, is geen sinecure. Het is gebaseerd op het creëren van een techno-economische spiraalbeweging, waardoor bij elke technologische vooruitgang ook de gebruiker overtuigd wordt van de meerwaarde van het nieuwe product. Is er echter sprake van overtuigen en overtuigd worden of gaat het eerder om een mechanisme van dwingen en ondergaan?
In concreto is de drijfveer voor deze technologie de evolutie van de persoonlijke computer (PC) geweest. Het plan is georganiseerd met voorbedachte rade. Doordat de softwareontwikkeling en de hardwareontwikkeling hand in hand gaan, ondervind je al snel dat je gebruik moet maken van een snellere technologie en zo word je zonder meer meegesleept in deze spiraal. In de nabije toekomst wordt de mobiele zakcomputer de technologische drijfveer. Hij zal zowel je telefoon zijn als je zakagenda, zowel je toegang tot internet en je bron van informatie als je afstandsbediening van onder meer je audio- en video-installatie. Meer nog, deze technologische evolutie zal zeer snel leiden tot ‘een slimme omgeving’. De mens zal interageren met zijn omgeving en gebruik maken van de elektronica als een zesde zintuig. Componenten kunnen zo klein worden gemaakt dat ze zullen worden verweven in kleine accessoires, kleding en textiel in het algemeen. Elektronische componenten en sensoren zullen overal aanwezig zijn en de mens zal naadloos communiceren met zijn of haar omgeving via een draadloos netwerk.
Nanotechnologie zal effectief een grote vernieuwing brengen in tal van industriële sectoren, zowel door het maken van nieuwe materialen als door een innovatie van producten voor onder meer computergeheugens, beeldschermen, magnetische leeskoppen, zonnecellen en energieproductie en – zeer belangrijk – ook de medische technologie. De toepassingen zijn legio: er is de verhoogde communicatie voor elk individu, maar ook het gebruik van sensoren voor de voorspelling van rampen en het opvolgen van de luchtvervuiling. De landbouw en voedselindustrie zullen kunnen rekenen op betere opbrengsten en, zeker zo belangrijk, op een betere kwaliteit. Comfortabele, draagbare sensoren en computers zorgen voor een continue opvolging van de gezondheidstoestand van patiënten en een combinatie van technologie en verzorging kan een antwoord bieden voor fysische en mentale kwalen door een netwerk van slimme sensoren. Tenslotte zullen nieuwe materialen samengesteld en gefabriceerd worden zonder afval.
Zijn er naast de wetenschappelijke en economische impact nog belangrijke aspecten? Ook vanuit cultureel oogpunt kan de nanotechnologie niet onopgemerkt blijven. Wat hebben technologie en cultuur dan met elkaar gemeen? Technologie is, na een decennialange evolutie, zeer diep in de maatschappij doorgedrongen. Ze maakt zodanig deel uit van ieders leefwereld dat ze er niet meer uit weg te denken is. Ze is toegetreden tot de levenssfeer. De technologie heeft zich deel gemaakt van onszelf en maakt daarom deel uit van onze cultuur. Het is verwonderlijk dat dit vrijwel zonder debat, zonder discussie, zonder polemiek en kritiek is gebeurd, dit in tegenstelling tot wat is gebeurd in verband met andere trends en vormen van cultuur.
Er is ook een ander sociaal aspect aan deze revolutie verbonden. Het traject dat de technologie in haar ontwikkeling van onderzoeks- tot gebruiksobject doorloopt, wordt vaak gestuurd door de economische drijfveer. Dit betekent dat de markt of het ‘grote publiek’ daar mee instemt. Maar kopen en gebruiken zijn individuele acties of zijn ze dat niet? De vraag rijst welk evenwicht er bestaat tussen de impact van het individuele standpunt en de groepsinvloed. Deze laatste moet trouwens kritisch worden herbekeken in een geglobaliseerde wereld, waarin afstand en communicatie een totaal verschillende verhouding tot elkaar hebben gekregen dan twintig jaar geleden. Lieve Goorden merkt in haar in 2004 verschenen essay De horzel en het luie paard op: ‘In een massamaatschappij lijkt het idee ver weg dat de morele en intellectuele energie die nodig is voor een adequate oordeelsvorming, bij haar burgers ligt.’
De technologische vooruitgang lijkt intussen vanzelfsprekend geworden. Heeft de maatschappij hier nadeel van ondervonden? Neen, ik zou zelfs zeggen: integendeel. Heeft de gebruiker hiervoor gekozen? Neen, de keuze is zo goed als afgedwongen. Zijn alle aspecten van de impact van deze technologieopmars op de maatschappij onderzocht en kritisch besproken? Hoegenaamd niet. Zoals vaker bij evolutionaire technologische vooruitgang is de marktacceptatie de maatstaf. Enkel bij de eerste realisaties van de computers kwam er een (overigens niet al te breed te begrijpen) maatschappelijke discussie op gang. Het idee dat een machine kon ‘denken’ werd door een grote maatschappelijke basis als angstaanjagend ervaren. Het beeld van de onafhankelijk denkende machine is echter snel verdwenen en daarmee ook de discussie.
Het is in dit perspectief echter ook belangrijk te onderstrepen dat technologische innovatie over verschillende fases loopt: er is het onderzoek en de uitvinding, er is de consolidatie van de vinding, het beschrijven ervan. Wetenschappers en technologen zijn gepassioneerd. Ze willen door hun onderzoek grenzen verleggen, zowel inzake het begrijpen van de mechanismen, als inzake het gebruiken van de kennis om nieuwe dingen te realiseren. Deze wetenschappelijke vrijheid is essentieel en hoeft niet in vraag gesteld te worden. Zelforganisatie als het organiseren van een opeenstapeling van haast macroscopische bouwstenen wekt geen argwaan. Op het atomaire en moleculaire niveau wekt zij bij het brede publiek echter een gelijkaardige reactie op als destijds die ten aanzien van een denkende machine. De maatschappij reageert met onbegrip, dat zich bij gebrek aan juiste en begrijpelijke informatie vertaalt in doemscenario’s. Dit staat in schrille tegenstelling met de definitie van technologische innovatie als ‘onderzoek en ontwikkeling die leiden tot een betere controle over de omgeving’.
De conclusie is onafwendbaar: een ruim maatschappelijk debat moet een aantal zaken duidelijk maken. De term ‘slim’ in slogans als ‘een slimme omgeving’ of ‘slimme materialen’ heeft niets met het object te maken, maar alles met zijn ontwerper. Het probabilistische dat zo eigen is aan de kwantummechanica, doet absoluut geen afbraak aan de controleerbaarheid van een systeem. Hetzelfde geldt voor het begrip ‘zelforganisatie’, dat gemakkelijk te associëren valt met groeiprocessen in levende moleculen: zelforganisatie zal niet leiden tot onbeheersbare vermenigvuldiging van moleculaire nanorobots.
Nog anders gezegd: er is een dichotomie ontstaan tussen wat wetenschappers en technologen willen creëren enerzijds, en wat de maatschappij kan begrijpen en dus aanvaarden anderzijds. De onzekerheid die met een revolutionaire technologie als de nanotechnologie gepaard gaat, zowel op vlak van kennis van feiten als van perceptie over voor- en nadelen in een zeer dynamische werkelijkheid, moet onderzocht en besproken worden. Deze discussie zal aanleiding geven tot een besluitvorming die een cruciale rol kan spelen tijdens de derde fase van het innovatieproces. Technologische innovatie wordt immers pas belangrijk als ze de uitvinding overstijgt, als ze uitgroeit tot een product of een dienst en dus maatschappelijke relevantie krijgt. De rol die nanotechnologie als innoverende technologie zal toebedeeld krijgen, zal nauw samenhangen met haar voortdurende acceptatie door de maatschappij. Deze laatste zal niet verengd blijven tot marktacceptatie. Ze is even belangrijk als wetenschappelijke en technologische creatie om de innovatie een centrale rol te laten spelen in een nieuwe economie.
Het verstrekken van de juiste informatie in begrijpelijke vorm vergt een vertaalslag vanuit de wetenschappelijke en technologische sferen naar de bredere maatschappelijke sfeer. Die vertaalslag is uiteraard mede de verantwoordelijkheid van de wetenschapper en de technoloog. Maar ook sociologisch en cultureel geschoolde verslaggevers die de brug kunnen slaan tussen wetenschappelijke en technologische activiteiten enerzijds en maatschappelijke activiteiten anderzijds, moeten invulling geven aan deze belangrijke taak. Het is duidelijk dat er voor een goed debat nood is aan actoren met verschillende achtergronden, aan interdisciplinariteit in opleiding. Wetenschappers en technologen willen niet worden geïsoleerd; wetenschap en technologie moeten deel uitmaken van een bredere maatschappelijke kring.
De architecten van deze nieuwe maatschappij moeten samenwerken met sociale experten
De nano-elektronica, en meer algemeen de nanotechnologie, zal een verschuiving in onze maatschappelijke leefwereld teweegbrengen. De architecten van deze maatschappij zullen ingenieurs zijn, medici en wetenschappers. Zij moeten echter samenwerken met sociale experten, die de vorming van deze nieuwe maatschappij analyseren en in goede banen leiden. Hier ligt een nieuwe taak voor de universiteit die in deze het voortouw moet nemen ten aanzien van economische en politieke spelers. De integratie en de synergie van nanotechnologie, biotechnologie, informatietechnologie en de nieuwe humane cognitieve wetenschappen moeten leiden tot een verbetering van de menselijke mogelijkheden en zullen als dusdanig een grote invloed hebben op de nieuwe economische activiteiten. Met de nodige aandacht voor ethiek en voor sociale noden kan de nano-elektronica aan de basis liggen van een toename van het menselijke kunnen, van de sociale groei, van de productiviteit en van de kwaliteit van het leven.
Wei Zheng, Philippe Buhlmann en Heiko O. Jacobs, ‘Sequential shape-and-solder-directed self-assembly of functional microsystems’, in: PNAS, 2004, 12814-12817.
Larysa V. Shavinina ed., The International Handbook on Innovation (Amsterdam /London /New York: Elsevier 2003).
Karen Maex is als ingenieur verbonden een de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License