Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Рис 162. Просмотр полученной нанотрубки

С помощью программы NanoXplorer разработано уже нема ло сложных и функциональных наносистем (см. рисунок 163).

Рис 163. Модели наносистем: а) нанонасос для атомов Ne, б) наноманипулятор, в) наноподшипник из углерода

Прогресс компьютерного моделирования наноструктур очень сильно зависит от мощности имеющихся компьютеров и эффективности вычислительных алгоритмов. Чем мощнее компьютер и чем оптимальнее его программа, тем более слож ную наносистему можно спроектировать. Поскольку, согласно закону Мура, производительность компьютеров со временем растет экспоненциально, с каждым годом ученым становятся доступны все новые и новые возможности. Достижения наноэ лектроники, основанной на точных компьютерных моделях квантовых явлений, позволят создать еще более мощные

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

компьютеры, способные быстро рассчитывать сверхсложные наносистемы, например, нанороботов из миллиардов атомов.

Сегодня, чтобы смоделировать несколько атомов, компью тер перегоняет миллиард раз в секунду неимоверные количест ва электронов по запутанным и гигантским (с точки зрения на нотехнолога) лабиринтам макроскопических микросхем. Со вершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.

Механосинтез и нанофабрика

В последнее время бурное развитие электронной, атомно силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие ин формационных технологий, привело к тому, что сегодня наб людения за поведением отдельных атомов стали доступны ши рокому кругу исследователей.

На рисунке изображена поверхность CD ROM диска с атомарным разрешени ем – продукт современной визуализации наообъектов.

Кроме того, современная прецизион ная техника позволяет не только визуали зировать отдельные атомы, но даже мани пулировать ими – катать по поверхности, переставлять с места на место и т.д. Об ус

пехах в этом направлении говорит популярность так называе мой “нанолитографии” – выкладывания из атомов различных “рисунков” на поверхности подложки. На рисунках представ лены несколько примеров подобного “нанорисования”.

а ) б)

Рис 165. а) иероглифы, выложенные атомами железа на поверхности меди, б) “пляшущий человечек” выложенный молекулами СО

254

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Выкладывать по подложке различные “атомные рисунки”, конечно, интересно, но имеет ли это какой нибудь практичес кий смысл? Ведь одна из главных идей нанотехнологии состоит в том, чтобы производить обычные, необходимые человеку ве щи, такие как еда, одежда, мебель, оргтехника и т.п., но улуч шенного качества и из простого сырья.

Поэтому, несмотря на успехи микроскопии, до настоящей нанотехнологии, в том виде, в котором её описывал Дрекслер, сканирующим методам еще далеко. Согласитесь, сложно представить себе массовое производство какого нибудь про дукта, основанное на работе сканирующего микроскопа, поа томно собирающего каждый предмет. Даже если мы будем раз мещать атомы со скоростью один атом в секунду (что соответ ствует скорости современных нанотехнологических устано вок), то сборка малюсенькой батареечки для наручных часов заняло бы более 1017 лет, что в десять миллионов раз превышает возраст нашей Вселенной!

Конечно, при виде подобных чисел может показаться, что нанотехнология по Дрекслеру невозможна в принципе. Но ведь это происходит только оттого, что мы подходим к ней с при вычной для нас точки зрения: измеряем расстояние и время в макроскопических величинах – метрах и секундах.

Но в наномире действуют совсем иные величины: миллиа рдные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы бы ли нанометровыми человечками, то вращение сверла бормаши ны в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим “гро мадным” глазом, мы бы успели основать и построить наноско пический Санкт Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет!

Таким образом, нанометровые инструменты и манипулято ры, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если движение большой и тяжелой “ру ки” макроскопического робота сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими “ручонками” за миллиардные доли секунды, затрачи вая всего лишь миллиардные доли ватт. Кроме того, промыш

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расче ты, может иметь более 1017 наноманипуляторов. С помощью та кой установки те же батареечки, которые при макроскопичес ком подходе нереально собрать из атомов, можно будет “штам повать” десятками тысяч штук в секунду!

Возможность производить любую вещь по желанию ее вла дельца издревле будоражила умы людей. Вспомните хотя бы мечты алхимиков о философском камне. И вот в конце ХХ века, имея за плечами более основательный багаж знаний о природе, чем в Средние века, человечество вновь возвращается к своей древней мечте, предлагая в качестве подобной “скатерти самоб ранки” идею нанофабрики – небольшой установки, способной на молекулярном уровне создавать различные предметы.

Рис 166. Схема процесса сборки продукции в нанофабрике

Впервые о подобной нанофабрике упоминал еще основа тель нанотехнологии Э. Дрекслер. Впоследствии другими уче ными было предложено огромное количество проектов молеку лярной нанофабрики, среди которых наибольшую популяр ность получили проекты, основанные на конвергентной и па раллельной сборке.

Идея конвергентной сборки принадлежит Крису Фениксу – директору Центра ответственных нанотехнологий CRN (Center For Responsible Nanotechnology, CША). Ее суть заключается в том, что конечный продукт составляется из маленьких кубиков, последовательно объединяющихся во все более крупные “стро ительные блоки”. Весь процесс осуществляется с помощью так называемых фабрикаторов, способных захватывать отдельный блок, перетаскивать его в нужное место и соединять химичес кими связями с другими.

256

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Фабрикатор, являясь ключевым устройством нанофабри ки, представляет собой управляемое устройство, способное комбинировать атомы друг с другом, создавая различные хими ческие связи между ними. Фактически, фабрикатор – это нано манипулятор, связанный с компьютером и линией доставки сырья. В отличие от мобильного наноробота ассемблера он не подвижен и привязан к какой либо основе.

Итак, процесс конвергентной сборки выглядит следующим образом: сначала самые маленькие фабрикаторы создают из атомов элементарные “кирпичики”. Затем фабрикаторы по больше берут эти “кирпичики” и соединяют их друг с другом в более крупные блоки. Эти блоки, в свою очередь, также соеди няются между собой фабрикаторами третьего уровня и т.д. Весь процесс повторяется до тех пор, пока необходимый продукт с заданной пользователем формой, структурой, размерами и пр. не будет собран полностью.

Рис 167.Схема конвергентной сборки

Весь процесс напоминает роботизированную сборку изделия на обычной фабрике. За счет того, что сборка на самом деле про исходит не поатомно, а все возрастающими блоками, время про изводства конечного продукта не выходит за рамки разумного.

Суть параллельной сборки еще проще: матрица из множества одинаковых наноманипуляторов, работающих одновременно, соз дает необходимый предмет, как бы наращивая его слой за слоем.

Рис 168. Cхема параллельной сборки