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

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

холодильников будут стоять нанофабрики, специализирован ные под производство продуктов питания и изысканных дели катесных блюд, а в мире будет ходить информационная валюта, с помощью которой можно будет купить файлы с новыми про дуктами, предметами и пр.

Не забудем и про спам! Толпы рекламных существ и меха низмов, вылезающих из нанофабрик, подключенных к всемир ной товарообменной сети, станут будить вас каждое утро. Зато друзья всегда смогут переслать вам не только фотографии, из нового путешествия, но и вполне реальные сувениры.

Мечты мечтами, но прежде чем построить первую нано фабрику, человек должен сначала научиться создавать ее мель чайшие детали – наноманипуляторы, с помощью которых фаб рикатор мог бы захватывать отдельный атом, удерживать его, отрывать из одного места и присоединять к другому. Напоми наем, что процесс образования или разрыва химической связи таким механическим способом традиционно называется меха* носинтезом.

Но как это осуществить? Каким образом манипулятор смо жет захватить и удержать атом? “Приклеить” его в нужное место?

Ответ прост. Мы знаем, что атомы “приклеиваются” друг к другу посредством химической связи. Значит, для того, чтобы захватить и удержать отдельный атом, манипулятору придется образовать с ним химическую связь некоторого типа. Добавле ние нового атома в нужное место потребует точно такого же “приклеивания” атома к со бираемому предмету посред ством химической связи, но более прочной, чем связь, удер живающая атом на ма нипуляторе.

Разработка такого мани пулятора – главная цель всей современной нанотех нологии, на сегодняшний момент, к сожалению, ни кем не реализованная. Од нако существуют теорети ческие проекты различных

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

инструментов механосинтеза, несомненно, заслуживающих внимания. Рассмотрим некоторые из них.

Вспомните, что представляет собой структура любой алма зоидной конструкции: не что иное, как решетку из атомов углерода, соединенных с четырьмя другими атомами ковалентной связью.

Стало быть, в качестве сырья для создания предметов из алмазо ида могут выступать различные уг леводороды (вещества, молекулы

которых состоят из атомов углерода и водорода), широко расп ространенные в природе и промышленности. Примером угле водородов могут служить, например, метан (CH4), бензол

(C6H6), ацетилен (C2H2) и пр.

Поэтому, во первых, необходим инструмент, который слу жит для отщепления от молекулы атома водорода. Такой инструмент был предложен Э. Дрекслером.

“Инструмент Дрекслера” представляет собой “хваталку”, держащую на конце атом углерода со свободной ковалентной связью. Когда инструмент приближается к нужной молекуле на расстояние приблизительно 10,8 нм, атом водорода сразу при соединяется к нему, едва “почуяв” рядом возможность образо вать ковалентную связь с углеродом.

Отщепив водород от молекулы или пове рхности, мы, тем самым, наделяем ее саму ре акционной способностью. Если рабочая зона находится в вакууме, то на место водорода можно механически присоединить другой атом или молекулу, от которой также оторвали водород.

Если же в момент отщепления водорода в рабочей зоне нанофабрики находится в свобод ном состоянии какое нибудь вещество, спо

собное к реакции с углеродом, оно быстро займет место удален ного водорода. Наполнив рабочую зону углеродсодержащими парами, можно легко синтезировать алмазоидные структуры, вот так отщепляя от алмазной пленки водород в нужных местах.

264

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Антиподом инструмента Дрекслера являет ся “инструмент присоединения водорода”, скон струированный так, чтобы атом водорода, сла бо прикрепленный к его концу, мог легко всту пать во взаимодействие с химически активной молекулой или поверхностью. Чтобы связь бы ла достаточной слабой, водород прикрепляет ся к атому олова (Sn).

Чтобы строить собственно алмазоидную поверхность, не обходим инструмент, способный присоединять к ней атомы уг лерода. За это отвечает “инструмент Фрайтаса”, который мо жет точно прикрепить димер С С к синтезируемой поверхнос ти и затем отсоединиться от нее. Инструмент спроектирован так, чтобы к нему димер прикреплялся относительно слабо и обладал высокой реакционной способностью. Захва тывающим концом инструмента могут быть атомы Si, Ge, Sn, Pb (в порядке ослабевания

связей с углеродом). Эти ато мы удерживаются под большим углом алмазо идными держателями. Инструменты, содержа щие переходные металлы, могут быть полезны как катализаторы различных реакций.

“Инструменты Меркле”– свободные радикалы С, Si и Sn и инструмент со свободной двойной углеродной связью, пред назначенные для выполнения различных вспомогательных операций.

Рис 176. Вспомогательные инструменты

Инструменты присоединения функциональных групп. Суще ствует великое множество таких групп, например, –ОН, СООН, СОО , Сl, NH2 и т.п., способных сильно влиять на функциональность продукта. Каждая из них может быть с од ной или нескольких сторон химически присоединена к угле родным каркасам, образовывая, соответственно, функциональ

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ные поверхностные структуры и соединительные перемычки. Необходимость создания таких инструментов объясняется, от части и тем, что без некоторых функциональных групп может оказаться невозможным ни создание наноактюаторов, ни сложных наносистем. А ведь без этого невозможно создание и самой нанофабрики.

Кроме того, разрабатываются и другие интересные инстру менты. Например, исследователи компании IBM модернизиро вали СТМ так, чтобы с его помощью отщеплять или присоеди нять к атомам отдельные электроны, что сразу влияет на их ре акционную способность. Химики из Орегонского университета создали хелатор молекулярные «крабовые клешни», которые захватывают отдельные атомы мышьяка.

Несмотря на то, что в настоящий момент пока не существу ет инструментов, способных так изящно манипулировать ато мами, некоторые практические шаги в этом направлении все же сделаны. То и дело в новостных рассылках появляются сооб щения об изобретении того или иного устройства, способного манипулировать если не единичными атомами и молекулами, то небольшими кластерами, что уже очень неплохо.

Одним из лидеров в этом направлении является компания Zyvex, которая уже на протяжении нескольких лет выпускает МЭМС системы из четырех скоординированных между собой наноманипуляторов с тремя степенями свободы каждый, пред назначенных для захвата, измерения, позиционирования и сборки микро и наноразмерных образцов. Устройство обеспе чивает как грубое позиционирование каждого манипулятора на 12 мм по всем трем осям с разрешением 100 нм, так и точное

позиционирование с разреше нием менее 5 нм. Манипулято ры представляют собой микро пинцеты различной конфигура ции, обеспечивающие микрос борку, манипуляцию и анализ частиц размером до 500нм.

Применяются такие устрой ства в основном при разработ ках в области энергетики, мате

* Перепечатано с www.zyvex.com

266

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

риаловедения, изучении поверхностей, в электронике, биотех нологии и т.д. Современные нано манипуляторы – это слож ные механизмы, довольно большие и тяжёлые (даром, что но сят приставку «нано»), а главное, очень дорогие – десятки ты сяч долларов.

Вот если бы удалось создать аналог с более умеренной це ной, то, представьте, сколько не больших лабораторий, компаний и изобретателей смогли бы поп робовать свои силы в нанотехно логиях. Именно об этом думает профессор Массачусетского тех нологического института Мартин Калпеппер, собравший нанома

нипулятор HexFlex почти что из подручных материалов.

Его манипуляторы просты (но эта та простота, для дости жения которой потребовалось много бессонных ночей), компа ктны и дёшевы, а изготовить их легко без применения каких либо «супернавороченных» технологий. Упрощение конструк ции позволило умельцу создать самый маленький в мире нано манипулятор – диаметром менее миллиметра.

Но использование механических наноманипуляторов для оперирования атомами и наноструктурами – не самый изящ ный вариант. Вспомним, что в квантовом мире волны столь же осязаемы, как частицы, и сразу на ум приходит идея манипуля торов, состоящих из… света.

Исторически первенство в оптическом манипулировании атомами принадлежит отечественным ученым. Метод “микро управления светом” был впервые применен в 1979 году советс кими физиками под руководством Владилена Летохова из Инс титута спектроскопии, которые сумели затормозить атомы нат рия с помощью пучка света. В 1986 году американские исследо ватели из компании Bell продемонстрировали действие так на зываемого “оптического пинцета”.

Когда лазерный пучок неоднороден, частица втягивается в область наибольшей яркости излучения – как шарик скатыва ется в низину. Это происходит потому, что при изменении нап

* Перепечатано c http://psdam.mit.edu