Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Так, стальной трос, если его подвесить над поверхностью Земли, под действием собственного веса разрывается при длине около 70 км, углеродные волокна оборвутся при высоте не более 140 км, искусственный материал кевлар продержится около 200 км, кварцевая нить выдержит более 280 км. С учетом «микротяжести» — разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите, максимальное натяжение намного меньше полного веса троса — реальная разрывная длина превысит указанную в 4—5 раз. По теоретическим расчетам, трос из качественных углеродных нанотрубок может обладать прочностью до 400 кН/мм2.

Лишь для одного троса космического лифта потребуется около 20 млн граммов углеродных нанотрубок высокого качества. С учетом того, что в 2006 году их стоимость составляла 25 долларов за грамм, цена только одного троса в настоящее время составляет более 5 млрд долларов. Стоимость создание же всего лифта оценивается в 7—12 млрд долларов.

Поперечное сечение троса космического лифта само по себе является сложным техническим решением (рис. 42). В середину уложен легкий направляющий жгут 1 из волокон номекса или кевлара. Для передачи электрического тока на его поверхность укладывается тонкая оплетка 2 из медной проволоки, поверхность которой защищена от внешнего

Рис. 42. Конструкция поперечного сечения троса космического лифта:

1 — волокна номекса или кевлара, 2 — оплетка из медной проволоки; 3 — изоляционный материал из тефлона; 4 — несущий слой кевлара;

5 — ультрафиолетовая защита из номекса; 6 — светоотражающее покрытие

— Прикладная нанотехнология —

воздействия телоновым изоляционным материалом 3. Основную механическую нагрузку должен нести высокопрочный слой кевлара 4. Вся конструкция снаружи защищена от ультрафиолетового излучения еще одним слоем номекса 5. Также на поверхность могут быть нанесены различные светоотражающие защитные слои лака 6.

В случае применения углеродных нанотрубок конструкция троса, возможно, будет упрощена за счет их высокой эластичности и токопроводности. При этом отпадает надобность в двух или даже трех внутренних слоях номекса, медной проволоки и тефлона. Однако требования к ультрафиолетовой защите должны быть значительно ужесточены, так как при облучении фотонами даже с энергией значительно ниже видимого света (равной 1,54 эВ) происходит разрушение структуры углеродных нанотрубок.

С другой стороны, технический прогресс в XXI веке позволит нам массово производить товары и машины, которые ранее были дорогостоящими, в том числе и из алмазов или наноматериалов. Например, компьютеры, сотовые телефоны и Интернет были фантастикой еще каких-нибудь 50 лет назад, роскошью — 20 лет назад, а теперь они не вызывают даже удивления ни у кого, кроме специалистов и ученых, понимающих, каких вершин мы уже достигли и что может ожидатьчеловечество вбудущем.

Еще в 1969 году Ю. Н. Арцутанов предложил не закреплять лифт на земной поверхности. Рассчитав соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, можно в определенный момент одним из спутников «зависать» или медленно двигаться у поверхности Земли. При его прохождении над грузовым терминалом с помощью специальных устройств необходимый груз будет захватываться и выводиться на орбиту.

В 1975 году аналогичная система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком (Hans Moravec) под названием «несинхронный космический лифт».

Еще более фантастический замысел создания лунного лифта принадлежит советскому ученому и изобретателю в

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

области теории межпланетных полетов, реактивных двигателей и летательных аппаратов Фридриху Артуровичу Цандеру. В 1910 году Цандер предложил протянуть через точку либрации с поверхности Луны к Земле специальный трос (длиной более 60 тыс. км). Такой трос будет натянут гравитационными и центробежными силами, и по нему теоретически будет возможна перевозка грузов. Понятно, что трос будет натянут до тех пор, пока по нему не пойдет грузовой лифт, в этом случае все равно потребуются дополнительные затраты энергии и средств, кроме фантастических затрат на строительство самого троса.

К слову, другой достаточно фантастической научно-тех- нической разработкой Ф. А. Цандера стал проект межпланетного корабля-аэроплана, предложенный им в 1921 году.

В последние несколько десятилетий из-за очень высокой стоимости ракетных запусков концепцией «космического лифта» заинтересовалось Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA). По предварительным расчетам, такой способ в будущем будет на порядки дешевле использования ракет-но- сителей. Впервые идея практического использования космического троса была реализована в 1966 году в спарке кораблей «Джемини-Аджена» (ленточное соединение), а затем — в 1981—1983 годах в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами. Также в 1987-1990 годах планировалось провести испытания полета орбитального самолета с закрепленным на нем с помощью троса спутником, который был отменен из-за аварии космическогочелнока «Челленджер».

Космическое агентство США уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного автоматически перемещаться по канату. В частности, НАСА недавно объявило тендер на наиболее прочный образец троса из нанотрубок и эффективный способ удаленной подзарядки роботов.

Испытания с укороченным 400-метровым прототипом космического лифта успешно провела частная вашингтонскаякомпанияLiftPort, сообщаетсянасайтеPhysOrg.com. Спе-

— Прикладнаянанотехнология—

циальный робот в автоматическом режиме поднялся и опустился по «канату», прикрепленному к воздушному шару. К 2031 году LiftPor намерена применить космический лифт для коммерческой доставки грузов на орбиту.

Еще раз следует отметить, что все эти разработки смогут быть реально воплощены в жизнь только с развитием нанонауки, в частности, молекулярной нанотехнологии сборки углеродных нанотрубок высокого качества.

Однако идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является как раз первооткрыватель фуллеренов, лауреат Нобелевской премии 1996 года по химии Р. Смолли, признавший ряд положений молекулярной нанотехнологии (МНТ) К. Э. Дрекслера. Возникшие разногласия можно будет, вероятно, разрешить в будущем лишь путем эксперимента.

Технология в смысле Дрекслера называется технологией «снизу вверх»: более сложные объемы строятся из простых: отдельных атомов, молекул, наноструктур. В отличие от такого подхода, технология «сверху вниз» предполагает получение малых изделий из больших объемов конструкционного материала. По этому пути человечество следует со времен своего возникновения до наших дней. В современном машиностроении, не говоря уже о ремонтном производстве, при изготовлении ряда деталей до четверти объема материала заготовок переводится встружку впроцессемеханическойобработки.

В целом, если не принимать в расчет первый японский «наноавтомобиль» на фуллереновых «колесах», именно невозможность практически изготовить хотя бы простейшие из, теоретически рассчитанных деталей (молекул) является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. К тому же современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики пока значительно превосходит по своей сложности технические возможности самых мощных современных компьютеров.

Наноразмерна

я

электротехника

Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулированииинформацией.

Ральф МЕРКЛ,

профессорТехническогоколледжа штатаДжорджия, США

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники.

Вследствие действия различных факторов (как геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров (повышением компактности) объектов значительно уменьшается и продолжительность протекания разнообразных процессов в конкретной системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. При дальнейшем значительном сокращении размеров в поведении электронов начинают преобладать свойства волны, а не частицы. Вступают в действие законы квантовой механики, на смену битам приходят квантовые биты (qubit).

В настоящее время в серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 не, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица ин-

— Наноразмерная электротехника —

формации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных ком- пакт-дисков.

В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя, а создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.

Однако по данным социологических исследований, проведенных в 2005 году, лишь 13,9% населения мира имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использовать информационные ресурсы и технологии большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния. Нанотехнологии позволят решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т.д.

Известно, что все многослойные нанотрубки — полупроводники. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение Международной ассоциации производите-

лей полупроводников (International Technology Roadmap for

Semiconductors) от имени Международного комитета производителей. В нем говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10—15 лет может начаться массовый переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на углеродные

133

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

нанотрубки. Так, фирма Fujitsuyyae предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров, где использованы достижения нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические «магнитные элементы» — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала «памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках

—Наноразмернаяэлектротехника

йне требующую постоянного питания» (NRAM - Nanotube-

based/Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В мире с каждым днем накапливается все больше информации, и необходим рост вычислительных мощностей, предусмотренный первым законом Г. Мура (основателя корпорации Intel). Еще в 1964 году Мур заявил, что если тенденция появления через каждые 18—24 месяца новых, вдвое более мощных микросхем, будет сохраняться, то общая мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет за относительно короткий промежуток времени. Поскольку до настоящего времени этот закон не нарушается, есть все основания предполагать, что и в ближайшее время положение не изменится. Более того, намечается тенденция к сокращению этого цикла до 15 месяцев, то есть следует ожидать, что возможности компьютеровбудутудваиваться почти ежегодно.

Современные процессоры состоят более чем из миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия — создать процессор с более чем одним триллионом транзисторов. Соотношение производительности процессора к аналогичному показателю процессора как Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.

-НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Вавгусте 2006 года в Колледж научных наноисследова-

ний и разработок (College of Nanoscale Science and Engineering, CNSE) при Университете Олбани (США) голландской компанией ASML, которая работает совместно с Nikon Corp., впервые в мире были поставлены установки ЭУФЛ — Alpha Demo Tool (ADT) стоимостью 65 млн долларов. Следует отметить, что данное оборудование предназначено не для производства, а только для исследовательских целей. Оно интегрировано в нанотехнологический комплекс (Albany NanoTech complex) международного промышленноуниверситетского консорциума (International Venture for Nanolithography (Invent)). Членами глобального консорциума Invent являются такие лидеры мирового рынка электрон-

ной техники, как IBM, AMD, Qzmondan Micron Technology. При

этом в выполнении исследовательских программ ЭУФЛ в CNSE намерены также принять участие японские компании

Sony и Toshiba.

Следующая демонстрационная ЭУФЛ-установка была предоставлена ASML бельгийской исследовательской организации IMEC, которая заключила соглашение о совместном проведении экспериментов в области ЭУФЛ с CNSE. Вначале исследования будут проводиться в США на Олбанском нанотехнологическом комплексе CNSE, а впоследствии обоими исследовательскими центрами.

Общая цель участников проекта — показать достоинства и практическую возможность реализации ЭУФЛ для формирования 32-нм (и ниже) рисунка наноэлектронных приборов.

Компания Intel Corp., один из лидеров в разработке электронного оборудования 32-нм технологии и потенциальный потребитель ЭУФЛ-установок, продолжила исследования различных методов совершенствования существующей лазерной 193-нм литографии для использования ее в более низком топологическом размере. Корпорация Intel, не получив вовремя необходимые материалы и оборудования для ЭУФЛ, в настоящее время рассматривает данный метод для

136

— Наноразмернаяэлектротехника—

возможной реализации 22-нм технологии ориентировочно тольков2011 году.

В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютерысемкостьюжесткогодиска1 Тб(1012байт). Нанемможно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц (для производства такого количества бумаги необходимо было бы переработать около 50 тыс. деревьев), 380 ч (около 16 сут.) видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).

Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлектронную технологию, возможно, спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые малые компьютеры создадут на совершенно другой элементной базе. По К. Э. Дрекслеру, такой базой может стать наномеханика. Ученым предложены механические конструкции для основных компонентов нанокомпьютера — ячеек памяти и логических байтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нанотрубок) компьютер, эквивалентный современному образцу с 1 млн транзисторов, может иметь объем 0,01 мкм3, а компьютер с памятью 1 Тб — объем 1 мкм3. Как и вслучае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода теплоты. Расчеты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды около 300 К на 1 Вт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять приблизительно 1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять Упомянутый выше компьютер с объемом 0,01 мкм3) будет обеспечиваться производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

137