Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87

Мы призываем всех молодых людей обратить самое пристальное внимание на свое развитие и образование, потому что твердые знания и профессионализм сегодня, в начале XXI века, обретают такую актуальность, какую они вряд ли имели когда-либо в прошлом. Помните, что только ваш интеллект, вкупе с эрудицией и мобильностью, позволят вам отличить выгодные на самом деле идеи от смертельно опасных и помогут принимать правильные решения в жизни.

* * *

Работая при слабом свете свечи, трясясь на ухабах в деревянных повозках при переезде из города в город, мог ли человек прошлого мечтать о неких "таинственных силах", способных наполнить светом не только комнату, но и улицы ночного города, или передвигать железные "повозки" с такой скоростью, что за ночь преодолевались бы расстояния, на которые раньше уходили дни и недели? Мог ли мечтать человек? Кто-то, по-видимому, мог и, следуя своей мечте, мог совершать и соответствующие ей открытия. Но у большинства, как обычно, не хватало смелости или фантазии выйти в своем воображении за пределы привычного, старого мира.

"Три закона робототехники" Айзека Азимова в начале 70-х гг. прошлого столетия воспринимались многими почитателями его таланта всего лишь как красивая сказка, мечта из разряда научной фантастики. А между тем, и роботы и искусственный интеллект являются на сегодняшний момент одними из самых быстроразвивающихся областей научного знания.

Мечты мечтами, но возникает естественный вопрос: если в XIX веке не пользовались электричеством, значит ли это, что в ХIХ веке электричества не существовало в природе? Или это говорит лишь о том, что мысль человеческая была в то время не в силах обнаружить эти "таинственные силы" природы, известные сегодня как электромагнитные волны?

И все-таки, во все времена жили те великие люди, которые первыми находили то, чего не видели другие или первыми воплощали в жизнь то, что для всех казалось нереальным или невозможным. Что же заставляло этих первопроходцев постоянно искать чего-то нового и добиваться реализации своих "недостижимых идей"? Какие качества отличали их от всех остальных? Каждый должен сам подумать и ответить на поставленные вопросы. Авторам же видится, что это были следующие основные качества:

-самостоятельность мышления; нежелание принимать за истину то, что вызывает сомнение, даже вопреки авторитетному мнению большинства;

-вечное стремление к совершенствованию, ко все большему познанию мира;

-уверенность в своих силах и в правильности выбранного пути;

По нашему скромному мнению, это те три волевых качества, которые отличали и всегда будут отличать неординарный тип мышления от мышления обывательского.

Поэтому еще одной целью для тех, кто возьмется за изучение данного учебного курса является стремление выработать и закрепить в себе эти качества,

6

являющиеся необходимым основанием любого жизненного успеха. Как там поется у "Наутилус Помпилиус"?

"Воздух выдержит только тех, только тех, кто верит в себя Ветер дует туда, куда скажет тот, кто верит в себя"…

** *

Вначале 1950-ых первые компьютеры занимали собой целую комнату. Сегодня любой карманный компьютер в десятки тысяч раз превосходит по быстродействию и возможностям те первые компьютеры.

Легендарный Билл Гейтс, основатель компании MicroSoft и придумавший операционную систему DOS, в 1981 году авторитетно заявил: "640 килобайт должно хватить всем!". Мог ли он представить себе в тот момент, как далеко, благодаря его изобретениям, смогут продвинуться программные и технические возможности персональных компьютеров!

В1959 году появился первый планарный (плоский) транзистор, или интегральная микросхема. В 1965-м уже выпускались микросхемы, состоящие из 50-60 элементов. На основании этого в 1965 году Гордон Мур, сооснователь фирмы Intell, заявил, что число элементов на интегральных микросхемах будет ежегодно увеличиваться вдвое. Согласно его прогнозу, эта тенденция должна была сохраниться в течение последующих 10 лет, и в 1975 году все с удивлением увидели, что прогноз сбылся. Прогноз Мура остается актуальным и сегодня, и за последние 20 лет он получил широкую известность и приобрел статус "закона". Термин "закон Мура" стали употреблять для обозначения непрерывного роста функциональности интегральных схем с одновременным снижением их размеров и стоимости.

Обращаем ваше внимание, что в буквальном смысле предсказание Мура законом не является, поскольку оно не отражает природных закономерностей и не является следствием фундаментальных законов физики. К фундаментальным законам природы могут относиться, например, закон гравитации, сформулированный Ньютоном, или законы электромагнитного поля, описываемые уравнениями Максвелла. Они объективны по своей природе, то есть существуют независимо от наших знаний о них. Поэтому, говоря о законе Мура, следует еще раз подчеркнуть, что речь идет лишь об эмпирическом правиле или научном прогнозе.

Современная микроэлектроника сегодня изготовляет устройства меньшие, чем когда-либо, раскидывая группы атомов по поверхности кристалла так, чтобы образовывались связи и компоненты в одну десятую толщины тончайшего волоса. Для простого обывателя такие размеры могут показаться "нереальными" и "запредельными", но, освоив наш курс, Вы удостоверитесь, что и это еще не предел.

Принципы квантовой механики позволят с уверенностью говорить о возможности все большего увеличения быстродействия, надежности и качества технических изделий за счет непрерывного уменьшения их размеров.

Гонка технологий, подчиненная олимпийскому принципу "Быстрее! Выше! Сильнее!" диктует сегодня темпы развития информационных технологий, поэтому

7

для того, чтобы быть успешной современной личностью, сегодня нужно не просто шагать в ногу со временем, а нестись за ним в спринтерском броске.

Поэтому третьей задачей, которую мы перед собой поставим, для того, чтобы подготовиться к общественной нанореволюции, будет звучать так: "научиться быстрее учиться".

Возможно, кто-то из читателей увидит в формулировке этой задачи не что иное, как призыв тратить меньше времени на развлечения и просмотр бесконечных телевизионных программ, и больше – на собственное развитие? Если вы подумали так, то вы совершенно правы - это именно то, что мы имеем в виду.

Нисколько не умаляя ценность отдыха в жизни каждого человека, и понимая, что как бы ни приятно это было – проваляться весь вечер на диване, переключая каналы с одного ток-шоу на другое – мы все же должны признать, что цена успеха сегодня заключается в правильной расстановке приоритетов и правильном отношению ко времени, которого просто не хватит и на личное развитие и на всяческие "Окна". Чем-то придется жертвовать, иначе может получиться как в известной притче:

"Немного поспишь, немного подремлешь, немного, сложив руки, полежишь. И придет, как прохожий, бедность твоя, и нужда твоя – как человек вооруженный" 3

Кстати, одному из авторов этой книги однажды довелось проводить исследование на тему современного американского сленга. Принимая во внимание жизненный уровень среднего американца и уровень государственного финансирования тех же нанотехнологий (правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течении четырех лет!), стоит ли удивляться тому что в их молодежной среде столь любимый нами "телек" величают не иначе, как "idiot box". Комментарии здесь, как говорится, излишни…

Основные понятия и элементы нанотехнологии

Несмотря на то, что идея о единстве природы не нова, любая наука, как правило, всегда обладает некоторой системой специальных понятий и терминов, определенных конкретно для неё.

Один и тот же объект, скажем, учащийся старших классов, будет вызывать совершенно разный профессиональный интерес у представителей различных профессий, таких как, например, врач, психолог или школьный учитель.

Для врача, вероятнее всего, старшеклассник будет "определяться" такими характеристиками, как вес, рост, группа крови, артериальное давление, наличие или отсутствие хронических заболеваний и т.д.

Психолог же примется выяснять тип его темперамента, тип мышления, коммуникативный уровень, самооценку или степень социализации.

А вот учителей математики или литературы вряд ли заинтересуют ваш темперамент или группа крови, если вы не выучили стихотворение или плохо написали контрольную. Скорее всего, они будут изучать и оценивать вас с точки

3 Книга притчей Соломоновых, гл. 24: 33-34

8

зрения владения материалом, глубины знаний и умений и вашего поведения на уроке.

И, хотя старшеклассник остается самим собой и в кабинете врача, и на приеме у психолога, и на уроке математики, мы видим, что его можно изучать под совершенно разными углами зрения. То же самое происходит и с любым другим объектом изучения. Так и природные явления, например, будут выглядеть поразному, для эколога, биолога или физика.

Но "вернемся к нашим баранам", то есть нанотехнологиям. В самом названии нанотехнология мы видим два существенных для нас термина – "нано" и "технология".

Определимся сначала со вторым понятием.

Энциклопедический словарь определяет технологию (от греч. "techne" – "искусство", "мастерство", "умение" + "logos" – "наука") как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции.

Научной задачей технологии является выявление физических, химических, механических и других свойств и закономерностей материала, с целью наиболее эффективного их применения на практике.

Так, выделяют "технологии машиностроения", "технологии химической очистки воды", "технологии пищевых производств", "информационные технологии" и т.д. Уже из приведенных выше примеров видно, что технологии в основе своей различаются природой первоначального материала. Именно значительная разница между таким "сырьем", как металлические конструкции, с одной стороны, и информации, с другой, определяет и существенные различия целей и методов их обработки и преобразования.

Перечисляя типы различных технологий, нельзя не вспомнить такое выражение, как "высокие технологии". Давайте подумаем, в чем же их суть? Мы привыкли к тому, что высокими в нашем обществе, называют технологии, появившиеся сравнительно недавно, весьма эффективные в применении, но не получившие еще повсеместного распространения. Как правило, это технологии из области микроэлектроники, и связаны они с удивительно маленькими размерами устройств.

Тысячи лет назад наши предки брали камни, содержащие триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать из них наконечники для стрел. Они делали прекрасную работу с мастерством, трудновоспроизводимым сегодня. И тот, кто первый придумал эту технологию обтесывания камня, в те далекие времена мог назвать её высокой технологией, и был бы абсолютно прав. Ведь еще лет 15-20 тому назад сотовые телефоны, например, считались устройствами типа "high-tech". Однако, сегодня "мобилой" уже никого не удивишь.

Поэтому, мы полагаем, что уместно называть "высокими" все передовые технологии, характерные для того или иного этапа развития общества.

Теперь дадим определение собственно "нанотехнологии".

9

В начале главы мы уже упоминали о том, что приставка нано (от греч. "nannos" – "карлик") означает одну миллиардную (10-9) долю какой-то единицы (в нашем случае - метра). Размер одного атома или мельчайшей молекулы порядка 1 нанометра.

Соответственно, нанотехнологии определяются как совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с наперед заданной атомной структурой.

Современные микросхемы, с размерами компонентов в одну десятую толщины тончайшего волоса могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор все еще содержит триллионы атомов, и так называемые "микрокомпьютеры" (отдельные чипы) все еще видимы невооружённым глазом.

Древние приемы технологии, которые можно проследить от ручной обработки камня до кремниевых чипов, таковы, что обращаются с сырьем, представляющим из себя большие совокупности атомов и молекул. Этот стиль можно назвать балктехнологией (англ. "bulk" – "груда", "кипа").

Нанотехнология призванна манипулировать индивидуальными атомами и молекулами, под контролем и прецизионно (сверхточно). Она изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить.

Не лишним будет напомнить читателям, что атом – (от греч. "atomos" – "неделимый") – это мельчайшая частица химического элемента, носитель его свойств, способный образовывать с атомами того же элемента или других элементов более сложные химические комплексы – молекулы4. Количество атомов в молекулах может колебаться от нескольких единиц до десятков тысяч.

Обращаем ваше внимание на то, что "дословный перевод" слова "атом" неверен, и на самом деле атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Однако, поскольку этот термин был введен в обращение еще в V веке до н.э. древнегреческим философом Демокритом, то и после открытия субатомных частиц, он был оставлен без изменения.

В связи с данным определением нанотехнологий, возникает естественный вопрос: каким образом мы сможем манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Ведь наши руки слишком громадны для пространства нановеличин.

Этот насущный вопрос является камнем преткновения всей современной нанотехнологической науки. Сегодня основным инструментом манипулирования атомами является зондовый микроскоп. Принцип его работы мы рассмотрим чуть позже в разделе, посвященном нанооборудованию, а также в следующих лекциях.

Самый интересный и перспективный ответ на этот вопрос, самое изящное решение, способное совершить новую технологическую революцию, было предложено Эриком Дрекслером, в его монографии "Машины созидания". Для

4 Словарь иностранных слов. – 7-е издание, 1979г.

10