Если раньше "игры атомами" были
уделом сугубо научно-исследовательских
лабораторий, то сегодня ряд технологий,
основанных на манипуляциях наночастицами,
подошел к стадии своего широкого
коммерческого использования. Увы, но
инженерная романтика, связанная с
нанотехнологиями понемногу рассеивается, и
приставка "нано" зачастую уже не
обозначает "ново". Все же стоит
понимать, что революционность
нанотехнологий заключается не столько в
ожидаемых плодах их массового применения,
сколько в самой идеологии "наноминиатюризации".
Ученые, достигшие сегодня высоких
результатов в области нанотехнологий, во
многом обязаны двум изобретениям конца
прошлого столетия. В 1981 году физики Герд
Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из
исследовательской лаборатории IBM создали
сканирующий туннелирующий микроскоп,
который позволил им увидеть отдельные
атомы. А уже в 1986 году он был модернизирован
Гердом Биннигом и позволил не только
наблюдать атомы, но и манипулировать ими.
Оба ученых за свои революционные труды были
удостоены Нобелевской премии. В 1990 году
увидела свет эпохальная статья двух
исследователей из той же лаборатории IBM -
Айглера и Швейцера, под названием "Позиционирование
отдельных атомов с помощью сканирующего
туннельного микроскопа", и многим стало
ясно, что пророчество Фейнмана сбылось -
весь мир обошла "нанофотография"
удивительной мозаики, образующей символику
компании IBM, "выгравированная"
отдельными атомами ксенона на поверхности
никелевого монокристалла с немыслимой ни в
какие времена атомарной точностью.
С появлением сканирующего микроскопа
началось широкое развитие нанотехнологий -
способов обработки частиц, размеры которых
находятся в пределах от одного до ста
нанометров (1 нм = 10-9 м). Чтобы лучше
представить данный порядок величин
достаточно вообразить Земной шар и
футбольный мяч - именно так соотносится в
размерах последний и наночастицы. Сегодня
Бинниг продолжает свою научную работу в
лабораториях IBM, разрабатывая и
совершенствуя технологию создания жестких
дисков нового поколения без
намагничивающих записывающих и
считывающих головок.
Манипуляции наночастицами
Проблемой манипуляцией атомов при помощи
сканирующего микроскопа занимался и ученый
Дон Айглер (Don Eigler), который также проводил
свои эксперименты в лабораториях IBM. Он в 1989
году впервые не только смог переместить
атомы при помощи сканирующего микроскопа,
но и научился делать это в заданных
направлениях и на заданные расстояния.
Сегодня при помощи его установки свободно
можно перемещать наночастицы, управляя
процессом с компьютера. Один из опытов
Айглера видится очень показательным, так
как может явиться своеобразным коридором
связующим цифровую реальность и наномир.
Так, ученый расположил атомы кобальта на
поверхности меди таким образом, что они
образовали замкнутый эллипс. После
помещения в одну из частей эллипса еще
одного атома кобальта, во второй его
половине (пустой) прослеживался сигнал
аналогичный наличию в ней какой-то
атомоподобной частицы.
Понятно, что никакой частицы в пустом
фокусе эллипса не было. Однако наличие
сигнала на сканирующем микроскопе ученый
объяснил с помощью эффекта шепота, который
достаточно давно известен людям. Его суть
заключается в том, что даже тихий разговор
человека в специально спроектированном
помещении может быть слышен в
противоположном его краю, тогда как
нормальной слышимости речь будет
совершенно неразборчива с близкого к нему
расстояния. Примером таких помещений могут
служить множественные театры, которые, как
известно, имеют эллиптическую форму. Такой
эффект обусловлен конструкцией стен и
потолков, которые в сумме целенаправленно
отражают звуковые волны. Согласно дуализму
свойств микрочастиц, атомы ведут себя
аналогично волнам, именно поэтому в пустой
части фокуса эллипса наблюдался эффект
подобный звуковому эффекту шепота. Таким
образом, изменяя форму эллипса действия
данного явления на атомарном уровне можно
избежать, то есть на одном элементарном
звене (кольцо атомов кобальта) получить как
присутствие сигнала "атома-призрака",
так и его отсутствие. Следовательно,
варьирование формы расположения атомов
кобальта создает основу для создания
интерпретатора двоичной системы
исчисления. Массивы наночастиц,
разложенных по поверхности меди
кольцеобразно, могут создать невероятной
емкости устройства хранения данных,
считывателем которых станет сканирующий
микроскоп.
Другой эффект, позволяющий создавать
устройства хранения и запоминания, был
открыт исследователями из Иллинойского
университета, которые разработали методику
для размещения на стандартном
полупроводниковом кристалле массива
органических молекул, которые в принципе
можно использовать в качестве запоминающих
устройств классического по своей топологии
типа. Технология относительно проста. С
готовой кремниевой пластины
предварительно удаляется оксидная пленка (например,
при помощи рентгеновского излучения). Затем,
в глубоком вакууме, поверхность, состоящая
из химически чистого кремния, покрывается
слоем атомов водорода. С помощью
сканирующего туннельного микроскопа (похоже,
он становится основным производственным
инструментом нанотехников) можно удалять
из этого слоя отдельные атомы водорода,
создавая на поверхности рельефный рисунок,
таким образом, чтобы углубления рельефа
стали бы областями чистого кремния. Если на
полученную заготовку нанести органические
молекулы, то они одним концом присоединятся
к кремнию, а вторым будут свободно "парить"
над поверхностью, при этом вращаться с
частотой до терагерца. Ученые утверждают,
что этим вращением можно управлять при
помощи электрических импульсов. Таким
образом, может быть создан упорядоченный
массив (все зависит от шаблона, по которому
делаются дырки в водородном покрытии)
управляемых переключающихся элементов - то
есть механическая молекулярная память, с
частотой функционирования порядка
нескольких терагерц. Естественно, все пока
находится в глубоко экспериментальной
стадии, но возможности открываются
колоссальные.
Нанотехнологии сегодня
Уже сегодня существует целый ряд
разработок, основывающихся на элементах
нанотехнологии. Например, компания IBM
недавно представила новую технологию
хранения информации, с помощью которой
можно будет добиться плотности записи
порядка триллиона бит на квадратный дюйм,
что в 20 раз больше, чем у самого
совершенного на сегодня магнитного
носителя. Кремниевым запоминающим
устройствам до этого показателя еще дальше.
В новой технологии Millipede компании IBM - все
необычно: и подход к организации хранении
данных, и время (в хронологическом
отношении развития компьютерного
прогресса) "рождения" новой технологии,
и небывалое количество циклов записи/перезаписи.
Ноу-хау компании IBM лишь "эхо" давно
забытых перфокарт, с единственной лишь
разницей в том, что технология реализована
на микроскопическом уровне и не является
"одноразовой" по отношению к носителю
информации. Основной элемент Millipede - массив
одноконечных кремниевых кронштейнов
длиной 70 и толщиной 0,5 мкм (в будущем эти
цифры, конечно же, уменьшаться), на каждом из
которых находится микроскопическая игла
длиной 2 мкм. В представленном компанией IBM
демонстрационном образце использовался
массив 32 х 32 с размерами всего 3 х 3 мм.
О своем достижении в области электронных
технологий на молекулярном уровне поведала
и компания НР. В ее лаборатории достигли
наивысшей плотности на данный момент и даже
готовы продемонстрировать 64-бит чип
энергонезависимой памяти, в котором роль
ячеек памяти играют отдельные молекулы.
Этот чип умещается на площади в один
квадратный микрон. Кроме того HP удалось
совместить запоминающие и управляющие
элементы в одном молекулярном устройстве.
Самое удивительное, что у компании HP уже
разработана опытная методика производства
нанолитографической печати, позволяющей
делать копии чипов на пластинах, подобно
тому, как делаются копии страниц с оригинал-макета
в типографиях.
Нанотехнологии применимы и в таких "прикладных"
областях как создание охладительных
установок. Термоионный метод охлаждения,
разрабатываемый фирмой Cool Chips, находится на
совершенно ином, более глубоком физическом
уровне, нежели классические методы, "орудующие"
воздушным потоком, или холодильники
Пельтье, которые используют
термоэлектронный эффект. Термоионный
охладитель - это термоионный
преобразователь, в котором под действием
напряжения происходит отвод "горячих"
электронов (электронов с большой энергией)
от охлаждаемой поверхности. Что касается
ожидаемой эффективности разработки Cool Chips,
то она, включая все потери (даже отток тепла
через проводники) составит порядка 70-80%, при
теоретической интенсивности теплоотвода
порядка 5кВт/кв.см. Если сравнивать новую
технологию с традиционными методами
охлаждения, то КПД компрессорных систем
равен 40-50%, термоэлектрических - 8%, в лучшем
случае при большом научном прорыве
приблизительно 20-30%.
Покой нам только снится
Описанные выше технологии все же уже
пройденный этап (хотя и открывающий большие
дороги развития), и взоры ученых обращены к
новым горизонтам. Уже сегодня имеются
проекты по конструированию устройств,
состоящих всего из одной молекулы. Речь
идет о переключателях, шарикоподшипниках,
приводах и даже целых двигателях для
нанокронштейнов. Некоторые разработки
ведутся в области самовоспроизводимых
механизмов на базе человеческой молекулы
ДНК. Отдельного разговора заслуживают
также нанотрубки, о которых мы расскажем в в
следующих обзорах.
|