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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

направляется к любой другой и РНК (рибосома способна син тезировать любой белок; характер белка зависит исключитель но от матрицы и РНК).

Итак, рибосомы доказали, что наномашины, построенные из белка и РНК, могут быть запрограммированы на построение сложных молекул, то есть по сути являются природными ассе мблерами (сборщиками атомов) для производства заданных молекулярных структур.

Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экс периментальные искусственные наномашины, используя био логический природный материал: аминокислоты, белки, моле кулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) это органика, а значит, их возможности ог раничены. Они теряют стабильность или разрушаются при по вышенных температурах и давлениях (происходит сворачива ние белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твер дый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных на работок человечества в сфере балк технологии. Это все то, до чего “не додумалась” природа, от колеса до компьютера.

В то же время без биоподобных структур очень трудно манипу лировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномаши ны ассемблеры должны представлять собой синтез живых и техни ческих систем. Дрекслер дает ассемблеру следующее определение:

Ассемблер – это молекулярная машина, способная к самореп ликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Главная задача ассемблера соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы лю бого назначения двигатели, станки, вычислительные устрой ства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекуляр ный робот со сменными программами на “перфолентах” типа цепочек РНК или ДНК.

Внешний вид сборщика можно представить себе как “ящик” нанометрового размера с “рукой” манипулятором длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипуля тора могут служить атомы, молекулы и химически активные

18

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

молекулярные конструкции. щика размещены устройства, ляющие работой манипулятора содержащие программу всех действий. Поскольку составле ние больших молекул со слож ной структурой потребует осо бой точности в позиционирова нии, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов

Возможно, ассемблер чем то похож на паука, при этом одними “лапами” он будет

держаться за поверхность, а другими складывать сложные мо лекулярные структуры атом за атомом. Наиболее популярная схема наноассемблера представлена на рисунке.

Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры, программируемые на каком нибудь обычном языке управле ния промышленными роботами и имеющие связь с обычным компьютером, которым управляет человек. Представим, что человек оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию, особым образом задавая её молекулярную структуру. “Нарисовав” нужный объект, он передает команду ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом. И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь с заданными характеристиками при минимальном вме шательстве человека.

Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами – на номашинами, способными разбирать объект на атомы с за писью его структуры на молекулярном уровне. Например, для создания копии какого то объекта необходимо, чтобы дизассе мблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретичес ки такая копия ничем не будет уступать оригиналу она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры так

же помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру Как уже было сказано, ассемблеры будут обладать способ

ностью к репликации (размножению). Когда речь идет об

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подверг нуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплици руется (размножается путём создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.

Таким образом, создав один единственный универсальный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложность их первоначального конструи рования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борют ся за право быть первыми в этом революционном прорыве.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от “проживающих” в организме нанокомпьютеров, убивающих ра ковые клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.

Сегодня Foresight Institute – базис всех мировых нанотехно логий – обещает $250.000 тому, кто построит нано манипуля тор – “руку”, которая сможет оперировать на молекулярном уровне, и тому, кто создаст 8 битный сумматор, умещающийся в кубике со стороной в 50 нанометров (так что у вас еще есть все шансы неплохо подзаработать!).

Ждать осталось не так уж долго. Оптимисты считают пери одом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины века. Значит, тем, кто сегодня определяет свою будущую про фессию, стоит задуматься: быть может, программист наноробо тов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее популярными специальностями уже через несколько лет.

Краткая справка по истории нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого фи лософа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал сло во “атом” для описания самой малой частицы вещества.

1905 Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара состав ляет примерно 1 нанометр.

20

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

1931 Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследо вать нанообъекты.

1959 Американский физик Ричард Фейнман впервые опуб ликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его ле гендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

Тогда его слова казались фантастикой только лишь по од ной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место).Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впер вые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.

1968 Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного под разделения американской компании Bell, разработали теорети ческие основы нано обработки поверхностей.

1974 Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механиз мы размером менее 1 микрона.

1981 Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер соз дали сканирующий туннельный микроскоп прибор, позволя ющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

1985 Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно из мерять предметы диаметром в один нанометр.

1986 Создан атомно силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодей ствие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1986 Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

1989 Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.

2000 Администрация США объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финан сирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.

2004 Администрация США поддержала “Национальную на номедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных мас сивов информации.

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40 50 нанометров возрастут квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта (о нем речь пойдет ниже), что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения раз мером в есколько нанометров. В настоящее время ведутся са мые интенсивные разработки в этом направлении.

Оборудование нанотехнологии

Всякая технология, будь то обработка материала на макро , микро или наноуровне, не может обходиться без средств из мерения соответствующих величин. Среди многообразия изме рительных приборов существуют специальные приборы для из мерения как больших, так и малых расстояний.

Так, малые расстояния вплоть до миллиметрового (103 м) порядка легко измеряются с помощью обычной линейки. Ею можно измерить, например, толщину куска плотного картона. Не так уж трудно измерить толщину тонкого листа бумаги, ес

22