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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Если мы хотим произвести продукт высотой 1 мм, это пот ребует укладки 100 тысяч атомных слоев. Если один сборщик будет обслуживать поверхность около 5000 атомов и укладывать 4 слоя в секунду, сборка полного продукта займет несколько ча сов. Таким образом, скорость работы сборщиков должна быть не меньше 20.000 атомов в секунду. Конечно, ломать не стро ить, но, как мы уже писали, современный атомный томограф разбирает поверхность с такой же скоростью, успевая записы вать параметры каждого атома.

Предполагается, что первые примитивные нанофабрики смогут строить предметы на основе алмазоида, благодаря отно сительной легкости образования ковалентных связей между атомами углерода. Теоретические расчеты показывают, что соз дание алмазоидных поверхностей и структур методами механо синтеза вполне осуществимо. Необходимо только иметь поа томное описание вещи, которую надо собрать (оно должно включать как взаимное расположение атомов и их типы, так и химические связи между атомами).

Чтобы выпускать продукт в больших количествах, произво дство должно быть автоматизировано и поставлено на поток. Если на сегодняшний день НЭМС системы изготавливаются долго и с большим трудом, то нанофабрика значительно облег чит их производство и тиражирование. Также нанофабрика сможет делать свои копии, т.е. реплицироваться.

Ну а как же сделать саму нанофабрику, состоящую из трил лионов отдельных фабрикаторов? Построить нанофабрику с по мощью одного фабрикатора будет сложновато. Скорее всего, несколько фабрикаторов объединят в блоки мини фабрик, кото рые соберут фабрику побольше, и так до тех пор, пока это произ водство не достигнет макроскопического уровня. Результатом этого “производственного роста” и будет искомая нанофабрика.

На первый взгляд идея саморепликации механизмов, пусть даже молекулярных, вызывает некоторое недоверие – как такое возможно? Но природа создала множество разнообразных «репликаторов» (ДНК, вирусы, животные), а последние иссле дования НАСА (Национального аэрокосмического агентства США) показали, что искусственные машины, делающие свои копии, могут быть не сложнее, чем существующий чип Pentium IV. Компания General Dynamics совместно с НАСА провела иссле

258

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

дования возможности постройки реплицирующихся клеточных автоматов. Математическое моделирование этих систем проде монстрировало возможность постройки репликаторов вообще и нанорепликаторов в частности.

Интерес НАСА к репликаторам объясняется просто: для ос воения Луны и тем более Марса потребуется огромное количе ство оборудования и рабочих рук – даже больше, чем люди ис пользовали для освоения Земли (другие планеты ведь надо еще терраформировать – переделать атмосферу, построить дороги и т.п.). Запускать туда миллионы космических кораблей с милли ардами тонн грузов нереально и дорого. Зато небольшая коман да макроскопических роботов репликаторов весом всего 20 тонн сможет размножиться и самостоятельно построить все не обходимые рудники, электростанции, заводы и фабрики. Для участия в этом проекте НАСА, кстати, пригласила Роберта Фрайтаса – известного специалиста по нанороботам. А самих репликаторов придумал в 1960 х основатель кибернетики фон Нейман, правда, только в теории – тогда никто не ожидал, что вскоре они вплотную приблизятся к реальности. По предвари тельным расчетам, построение первого репликатора займет около 10 15 лет.

Нанофабрика будет иметь блочную конструкцию, чтобы можно было легко сделать ее копию с помощью другой нано фабрики. Блочная система также будет удобна для производ ства различных компонентов НЭМС систем, нанокомпьюте ров и нанороботов. Каждый фабрикатор должен быть способен произвести наноблок размерами 200х200х200 нанометров. Эта структура принимается К. Фениксом как элементарный “кир пичик” нанофабрики. Подобный наноблок может содержать нанокомпьютер (механический или квантовый) или системы привода нанофабрики, генераторы, части конвейеров и нано манипуляторов. Для изготовления одного такого наноблока фабрикатору понадобится несколько часов. По теоретическим расчетам Криса Феникса, одна готовая нанофабрика сможет всего за два дня произвести свою точную копию. На первый взгляд – долго. Но посмотрим, сколько понадобится дней, что бы каждый житель земли получил в подарок по нанофабрике, при условии, что каждая вновь произведенная фабрика начина ет в тот же момент строить свои копии:

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Табл 9. Скорость размножения нанофабрик

Вот и получается, что через пару месяцев после начала реп ликации у всех жителей Земли будет по нанофабрике. Плохо это или хорошо – пока неизвестно, ясно одно: технология эта

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

разработана таким образом, чтобы производить максимальное количество продукции за короткий срок.

Функциональные блоки нанофабрики

Нанофабрике потребуется серьезная система охлаждения – ведь плотность ее мощности велика (для нанофабрики размера ми 0,5х0,5х0,5 м номинальная мощность составит около 200 КВт). Поэтому ее архитектурой предусмотрена система охлаж дения внешней оболочки и макроузловых сборок с высоким давлением, которая далее разветвляется на охлаждение средне го давления (в промежуточных стадиях сборки) и на систему низкого давления (для охлаждения отдельных наноблоков с фабрикаторами).

Кроме того, предполагается обеспечение нанофабрики сис* темой связи с центральным компьютером, а также системой транспортировки готовой продукции. Специальный сортиро* вочный ротор будет выбирать из поступающего сырьевого мате риала лишь те атомы и молекулы, которые необходимы для каж дой конкретной операции, для гарантии ее точной, бездефект ной и безаварийной работы и т.д. Большинство таких блоков могут быть реализованы в виде МЭМС и НЭМС устройств.

С одной стороны к нанофабрике будут присоединены бал лоны с сырьем молекулами и атомами, а также охладителем. С другой интегрированный СAD интерфейс для проектирова ния продукта. Представьте себе, что к вашему ноутбуку присое динили небольшой ящичек размерами 0,5х0,5х0,5 м. Далее на компьютере запускают программу типа 3D MAX и предлагают вам что нибудь нарисовать. Например, стеклянный шар. Вы ри суете его, указывая тип стекла, его характеристики, цвет, плот ность и пр. и, в результате из ящичка выходит нарисованный ва ми шар. Теперь вы изменяете тип материала, из которого изго товлен шар, на, например, “свинину”, и из ящичка через неко торое время выпадает идеально круглый шар из свинины...

Однако зачем делать шарики из свинины? Нарисуем лучше руку робота из алмазоида размерами менее 1 мкм с помощью стандартных инструментов, и присоединим ее к нашему шару (только размерами поменьше, скажем, 1 мкм), оснастив его ме ханокомпьютером (тоже стандартным инструментом) и доба вив “батарейки”. Все, наноробот готов! Зададим в управляю

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

щей программе количество побольше, и из ящичка выйдет се рия таких нанороботов (правда, вряд ли их можно будет увидеть невооруженным глазом). Или ж,е нажав на фабрике кнопку “replicatе”, мы через два дня получим копию нанофабрики.

Рис 169. Вид нанофабрики в представлении художника

Итак, что мы имеем? Алмазная фабрика размером с мони тор может выпускать продукт размером 10*10*10 см и весить 4 килограмма. Производственный процесс займет около 3 часов. При этом продукт будет иметь упорядоченную структуру вплоть до атома. Репликация подобной фабрики займет около двух дней. При этом стоимость продукта будет зависеть только от стоимости сырья, из которого изготовлены продукты. Мощ ность фабрики составляет около 200 кВт. Фабрика полностью автоматизирована и будет соединяться с персональным компь ютером, образуя производственный комплекс.

Человек оператор сможет создавать различные продукты в специальной САПР, подобно тому, как сегодня создают черте жи деталей машин. Фабрика повторит конструкцию с точ ностью до атома. Такая фабрика благодаря своим размерам мо жет стать основой производственного комплекса любого част ного лица. Столь мощного орудия производства у человечества еще не было, и с его появлением производственный процесс сведется к разработке самого продукта или скачиванию его чер тежей из Интернета. Вероятно, в квартирах будущего вместо

262