Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87
Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных наработок человечества в сфере балк-технологии. Это все то, до чего "не додумалась" природа, начиная с колеса и кончая компьютером.
В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины должны представлять собой синтез живых и технических систем.
Таким образом, основным типом машин, по проекту Дрекслера, станет так называемый ассемблер, т.е. сборщик.
Дрекслер дает ассемблеру следующее определение: молекулярная машина, способная к саморепликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков. Главная задача ассемблера - составление атомов и молекул в наперед заданном порядке.
Из любых нужных атомов и молекул он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный 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 манипулятора могут служить атомы, молекулы, и химически активные молекулярные конструкции. Внутри сборщика размещены устройства, управляющие работой манипулятора и содержащие программу всех его действий.
Поскольку составление больших молекул со сложной структурой потребует особой точности в позиционировании, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов.
Возможно, что ассемблер будет чем-то похож на паука, при этом одними "лапами" он будет держаться за субстрат (т.е. за основу), а другими складывать сложные
молекулярные структуры атом за атомом. На рисунках представлены две популярные схемы наноассемблера.
Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами, и имеющие связь с обычным компьютером, управляемым человеком. Представим, что человек - оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию,
причем особым образом задает её молекулярную структуру. "Нарисовав" нужный объект, человек передает команду ассемблерам, которые, в свою очередь, начинают атом за атомом создавать структуру объекта. И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь, и притом с заданными характеристиками при минимальном вмешательстве человека.
16
Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами - наномашинами, способными разбирать объект на атомы с записью его структуры на молекулярном уровне. Например, для того, чтобы создать копию какого-то объекта, необходимо, чтобы дизассемблер разобрал его атом за атомом, и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создать копию объекта сколь угодно раз. Теоретически такая копия ничем не будет уступать оригиналу - она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры также помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру
Как уже было сказано, ассемблеры будут обладать способностью к репликации. Когда речь идет об эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться (такой как ген, мим, или компьютерный вирус).
Реплицируется (размножается путём создания своей копии) ассемблер или по команде от 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 конструирования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борются за право быть первыми в этом революционном прорыве.
Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы - начиная от "проживающих" в организме нанокомпьютеров, убивающих раковые клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.
Сегодня Foresight Institute – базис всей мировой нанотехнологии - обещает 250.000$ тому, кто построит нано-манипулятор - "руку", которая сможет оперировать на молекулярном уровне и тому, кто создаст 8-ми битный сумматор, умещающийся в кубике со стороной в 50 нанометров (так что у вас еще есть все шансы неплохо подзаработать!).
Поэтому, ждать осталось не так уж долго. Оптимисты считают периодом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины века. Значит, тем, кто сегодня определяет свою будущую профессию, стоит задуматься – быть может, программист нанороботов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее популярными специальностями уже через несколько лет.
Кратко об истории становления нанотехнологий 6
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом" для описания самой малой частицы вещества.
6 Временная шкала, основана на материале статьи "О дивный новый мир", Computerra 1999г..
17
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нового направления нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции "Там внизу - море места" ("There's Plenty of Room at the Bottom"), произнесенной им в Калифорнийском технологическом Институте
Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (подразумевается возможность опознать отдельный атом, взять его и поставить на другое место).
Чтобы стимулировать интерес к этой области Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.
1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехника", предложив описывать механизмы размером менее одного микрона. Греческое слово "nannos" означает "карлик".
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп - прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Четырьмя годами позже его создатели получили Нобелевскую премию
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.
1986 год. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
18
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид, определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание проекта "Национальная Инициатива" в Области Нанотехнологии (National Nanotechnology Initiative).
Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год "Инициатива" запросила $710 млн. В 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течении четырех лет. В целом, мировые инвестиции по нано в 2004 году составят около $12 млрд.
2004 год. Администрация США поддержала создание проекта "Национальная Наномедицинская Инициатива" как часть National Nanotechnology Initiative
Стремительное развитие нанотехнологий определяется, прежде всего, потребностями общества в быстрой переработке огромных информационных массивов.
Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров наступит квантовомеханическая помеха: электроны начнут пробивать разделительные слои в транзисторах за счет туннельного эффекта, о котором речь пойдет ниже, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.
Оборудование нанотехнологии
Всякая технология, будь то обработка материала на макро, микро или наноуровнях, не может обходиться без средств и методов измерения соответствующих величин. Среди многообразия измерительных приборов, существуют специальные приборы для измерения как больших, так и малых расстояний.
Так, малые расстояния вплоть до миллимитрового (10-3 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, если таких листов много. Сложите в стопку сто листов, возьмите линейку и разделите получившуюся величину на 100. В результате такого измерения мы
19
получаем толщину одного листа, исходя из того, что все листы совершенно одинаковые.
Однако для меньших размеров линейка уже не годиться. Если попытаться измерить с помощью линейки толщину волоса, то единственное, что можно будет сказать - это то, что волос очень тонкий, а это очевидно и без измерений. Поэтому, чтобы идти дальше в сторону еще меньших расстояний, необходимы увеличительные приборы, из которых всем наиболее знаком обычный оптический микроскоп.
Оптический микроскоп, позволяет видеть мелкие детали, величиной до 0,25 мкм. Дальнейшие способы улучшения микроскопа, работающего на принципах оптики, привели к созданию его электронного варианта, с помощью которого удается наблюдать предметы с размерами порядка нанометра. Электронный оптический микроскоп позволяет различать даже атомные решетки, но вот обнаружить в них дефекты он уже не может. А ведь для целей нанотехнологии нужно хорошо визуализировать отдельные атомы!
Поэтому когда все возможности данного устройства были исчерпаны, ученые принялись искать новые пути решения поставленной задачи. И вот в начале ХХ века появилась оригинальная идея изучать вещество, не увеличивая исследуемую площадь его поверхности, а как бы дотрагиваясь до неё. Ее реализации помог, открытый к тому времени, туннельный эффект, на основании которого в 1981 году был создан первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
Подробным изучением СТМ и туннельного эффекта мы займемся позже, а пока лишь в общих чертах раскроем их суть.
Туннельный эффект является принципиально квантово-механическим эффектом, не имеющим аналога в классической механике и потому представляет огромный интерес для исследователей. Он основан на корпускулярно-волновом дуализме – двойственной природе элементарных частиц.
С точки зрения классической механики очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0>E. Например, если принять за материальное тело мяч, а за потенциальный барьер - очень высокий бетонный забор, то понятно, что если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко - так, что его энергии не хватит на преодоление высоты стоящего перед ним барьера, то он, ударившись о бетонную преграду, отскочит назад.
Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциального барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в "заборе" оказалась некая "дырка" или туннель.
20