автор: Георгий Жувикин 25.01.2005
Датой рождения транзистора, полупроводникового устройства переключения электрических сигналов, считается 1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.).
Датой рождения транзистора, полупроводникового устройства переключения электрических сигналов, считается 1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.). Изобретение транзистора стало событием большой социальной значимости. Именно благодаря бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий человечество в конце ХХ века вступило в эпоху информатики.
Сегодня в практическую плоскость перешли разговоры о нанотранзисторах, появились их первые действующие прототипы. Вэбопедия (www.webopedia.org) определяет нанотранзистор как транзистор, размеры которого исчисляются нанометрами. Название приставки нано (10–9) происходит от греческого nannoV — карликовый, маленький. По нанометровым меркам первые выходцы из Bell Laboratories были гигантами — их величина измерялась сантиметрами. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе. За радикальными количественными превращениями кроется принципиальное изменение качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной структурой вещества. Да и свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире, не говоря уж о макромире.
Электрический ток теперь нельзя представлять в виде некоего подобия «электрической жидкости» или «электронного газа», протекающих через управляемый вентиль, поскольку квантованность электрического заряда выходит в наномире на первый план. Количество электрического заряда, которым можно манипулировать, кратно заряду электрона Q0. Как бы точно ни производилось измерение электрического тока, количество информации, которое можно передать с его помощью, строго ограничено и определено числом переданных элементарных зарядов.
Обычный постоянный электрический ток всегда флуктуирует случайным образом, так как появление в цепи каждого нового элементарного заряда не скоррелировано с появлением предыдущего. Такие флуктуации часто называют дробовым шумом и описывают пуассоновской статистикой. Если в идеальном случае источник поддерживает в цепи постоянный средний ток n0 зарядов в секунду, то в среднем за время t по цепи будет проходить N = n0t зарядов, а измеряемое значение этой величины будет флуктуировать со среднеквадратичным отклонением ΔN ~ (n0t)1/2, или в относительной мере ΔN/N ~ (n0t)-1/2. Абсолютная мощность дробового шума растет с ростом мощности самого сигнала, однако относительная мощность — падает. Поэтому в макромире квантованием заряда обычно пренебрегают, поскольку для большого тока относительные флуктуации очень малы. Если же сигнал представлять числом электронов в зарядовом пакете, то количество классической информации, передаваемое током за время t, с учетом дробового шума, составит log2(1+N/ΔN) = log2[1+(n0t)1/2](Отсчеты, лежащие в пределах погрешности измерения, считаются неразличимыми).
Логические элементы, срабатывающие на определенную величину зарядового пакета, как, например, в случае КМОП-схем, будут слишком часто ошибаться, если пакет окажется недостаточно велик. Так, при кодировании логической единицы пакетом из десяти зарядов с порогом срабатывания в пять зарядов логический элемент будет неправильно срабатывать примерно в 3% случаев. Иначе говоря, согласно пуассоновской статистике, в трех случаях из ста мы обнаружим в зарядовом пакете менее пяти электронов. При этом существенно увеличить избыточный заряд, хранимый в структуре нанометрового размера, невозможно. Например, на сферическом кластере радиусом 2–3 нм можно разместить без проблем лишь несколько лишних электронов.
Кроме эффекта квантования электрического заряда, на малых расстояниях начинают сказываться волновые свойства частиц. Длина когерентности электронной волны в твердом теле при обычной температуре составляет величину порядка единиц нанометров. Поэтому на расстояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов. Выражается это в том, что когда вещество берется в малых количествах, его не всегда можно однозначно отнести к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элементы, взятые в количестве, допустим, 20, 50 и 100 атомов, будут последовательно проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника соответственно.
Все сказанное иллюстрирует тот факт, что использование ресурсов вещества, пространства, времени, энергии и информации в наномире строго регламентируется особыми правилами, основывающимися на законах квантовой механики. Мало того что конструирование нанотранзисторов превращается в сложную квантовомеханическую задачу, овеществление квантовомеханических схем и «чертежей» требует разработки сложнейших технологических процессов.
Итак, нанотранзистор — это существенно квантовомеханический прибор. Однако он вовсе не обязан работать только с квантовой информацией. Доказано, что в базисе нанотранзисторов возможна реализация устройств обычной классической логики. Более того, разработка промышленных технологий создания нанометровых приборов классической логики — главная задача современной наноэлектроники. На ее решение брошены огромные финансовые ресурсы в крупнейших научных центрах мира.
Когда же будет достигнут предел миниатюризации обычной электроники? Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы, о которых говорилось выше. Область от 30 нм до 5 нм (так называемая область мезоструктур) следует считать переходной от классической твердотельной электроники к квантовой. Промышленность вплотную подошла к этой области и уже столкнулась с рядом трудностей, о которых журнал недавно рассказывал (см. «КТ» #561, «Как делают микросхемы»). В соответствии с законом Мура, полное освоение области мезоэлектроники ожидается примерно через десять лет. Таким образом, мезотранзисторы — это последний рубеж существования обычных транзисторов, за которым последует поколение нанотранзисторов.
В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре [1] (список литературы см. в конце статьи). Его устройство и схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя
Одно из основных требований к технологии изготовления нанотранзисторов — высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому, однако этот процесс очень медленный. Даже если укладывать атомы за одну операцию целыми кластерами, на сборку одного наночипа все равно потребуются десятки лет. Поэтому в настоящее время идут интенсивные поиски технологических процессов, которые бы позволили с помощью небольшого числа операций одновременно производить большое число нанотранзисторов.
Например, сотрудники IBM развивают кластерную технологию, работая с углеродными нанотрубками [2], открытыми сотрудником NEC. Такие трубки могут состоять лишь из нескольких атомных слоев и при этом быть в тысячу раз прочнее стали. В зависимости от размера и формы, углеродные нанотрубки могут обладать полупроводниковыми или металлическими свойствами. В настоящее время отработан метод получения углеродных кластеров путем создания электрического разряда между графитовыми электродами в специальных условиях. Таким путем создают не только нанотрубки, но и различные фуллерены — пустотелые шары и эллипсоиды нанометровых размеров (Фуллерены C60 открыли в 1985 г. H. W. Kroto из Университета Сассекса (University of Sussex) и James Heath, Sean O’Brien, R. E. Smalley и R. F. Curl из Университета Райса (Rice University). За это открытие Kroto, Curl и Smalley получили Нобелевскую премию в 1996 г).
Ученые IBM работают над технологией системной интеграции полупроводниковых и металлических углеродных трубок на одной подложке с целью создания в будущем полнофункциональных электронных наносхем. Технология еще далека от завершения, однако ряд технологических приемов уже опробован. На подложку — пластину из оксидированного полированного кремния — наносится композиция, состоящая из пучков слипшихся полупроводниковых и металлических нанотрубок углерода, которые трудно отделить друг от друга при массовом производстве. Поверх полученной пленки литографическим методами наносятся узкие полоски обычного металла. С помощью электрического сигнала можно переводить углеродные нанотрубки из полупроводникового состояния в состояние изолятора. Это дает возможность путем управляемого электрического пробоя разрушать нанотрубки металлического типа проводимости и получать большие регулярные массивы, состоящие из отрезков полупроводниковых углеродных нанотрубок. Каждый такой отрезок — основа будущего нанотранзистора.
В той же корпорации разработана методика «обточки» углеродных нанотруб путем электрически управляемого снятия с них лишних атомных слоев. Уже в 2001 году таким способом в IBM научились получать полевые транзисторы с требуемой шириной запрещенной зоны. Их назвали NT-FET (nanotube field-effect transistors). Все это позволяет надеяться, что закон Мура о росте числа логических вентилей на чипе будет действовать даже тогда, когда обычная кремниевая электроника дойдет до своего естественного предела, обусловленного атомной структурой кристалла.
Что касается углеродных кластеров, то здесь работы ведутся в нескольких направлениях — с однослойными нанотрубками SWNT (single-walled nanotube), многослойными нанотрубками MWNT (multi-walled nanotube) и различными фуллеренами (C60, C70 и др.) Кластеры такого типа являются средами с пониженной размерностью. Например, нанотрубка преимущественно одномерна, что роднит ее с одной из новых моделей квантовой механики, квантовой нитью. А вот фуллерены, своего рода пузыри нанометровых масштабов, — двумерны. В силу особых квантовых условий движения электронов в средах с пониженной размерностью они зачастую обладают уникальными свойствами. Например, металлические нанотрубки могут выдерживать очень большую плотность тока (в 100–1000 раз больше, чем обычные металлы). Полупроводниковые нанотрубки обладают способностью переключаться под действием внешнего электрического поля в состояние изолятора. При этом ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна диаметру трубки: Eg~1/d. Фуллерены, допированные некоторыми металлами, являются к тому же высокотемпературными сверхпроводниками.
Длина углеродных нанотрубок может в тысячу и более раз превышать их диаметр. В принципе, это дает возможность использовать трубки как проводники для трехмерного монтажа наносхем.
В Lawrence Berkeley National Laboratory (США) в 1998 г. также сначала были созданы образцы нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок. В дальнейшем (2000 г.) были получены нанотранзисторы на основе фуллереновых кластеров C60. Нанотранзистор изготавливался следующим образом. Сначала с помощью электронно-лучевой литографической машины Nanowriter на кремниевой пластине создавалась решетка из узких золотых проводников шириной 200 нм и толщиной 10 нм. Пропуская по решетке электрический ток большой плотности, можно было вызывать электромиграцию атомов золота. В результате провода истончались до нанометровых размеров и разрывались в строго определенных местах, образуя зазоры шириной около 1 нм. Затем пластина покрывалась тонким слоем водного раствора фуллереновых кластеров. Далее растворитель испарялся, а кластеры C60 оказывались в зазоре между двумя электродами — истоком и стоком. Электрод затвора отделялся от остальных электродов изолирующим слоем двуокиси кремния.
С помощью нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок, структура которых показана на рис. 3, сотрудники Технического университета Дельфта (Delft University of Technology) уже в 2001 г. реализовали логический элемент ИЛИ-НЕ (physicsweb.org). Благодаря своим необычайно малым размерам нанотранзисторные схемы данного типа способны работать при комнатной температуре. Углеродные нанокластеры изготавливались отдельно, а затем размещались на подложке. Теперь исследователи разрабатывают технологию выращивания нанотрубок непосредственно на чипе.
Таким образом, в конце ХХ — начале XXI веков были опробованы базовые идеи квантовомеханических и молекулярно-кластерных технологий в новой области — наноэлектронике. В настоящее время в исследовательских центрах идет проработка технологических процессов производства наноэлектронной техники. Прикладные работы, в силу их стратегической важности для экономики промышленно развитых стран, скрыты от глаз обозревателей, но уже сейчас ясно, что экономическую, социальную и военно-политическую значимость информационных нанотехнологий невозможно переоценить.
Итак, схемотехнические принципы наноэлектроники будут существенно отличаться от принципов обычной микроэлектроники. Научная основа наноэлектроники сегодня закладывается в работах по квантовой информатике, новому интенсивно развивающемуся разделу теоретической и экспериментальной физики. Проблема флуктуирующих зарядовых пакетов — одна из первоочередных задач, кстати, общая для всех квантовых частиц, а не только для электронов.
В квантовом случае информация о состоянии физической системы представляется волновой функцией. Она имеет вероятностную трактовку, согласно которой квадрат модуля волновой функции дает плотность вероятности нахождения физической системы (в нашем случае — электрона или транзистора) в том или ином состоянии (Кстати, против такого толкования одного из главнейших понятий квантовой механики выступал Альберт Эйнштейн. Помните его знаменитую фразу «Господь Бог не играет в кости»? Дальнейшее развитие науки доказало правоту Макса Борна, стоявшего на позициях вероятностной трактовки. Вся эта история, однако, не помешала обоим спорщикам стать Нобелевскими лауреатами именно за фундаментальные работы по квантовой механике). Стало быть, для определенности следует повторять измерения состояния физической системы много раз, усредняя их результат. Такой набор статистики потребует дополнительных временных затрат — за информацию приходится платить быстродействием. Можно поступить иначе и, согласно принципам той же квантовой механики, изготовить много копий логического вентиля, правильным образом находя ответ по результату их одновременной работы. Но тогда теряется смысл создания нанотранзисторов, так как за информацию придется платить дополнительным пространством и материалом для размещения транзисторов-дублеров.
Нельзя ли заплатить чем-нибудь другим, создав условия, когда неопределенность квантовых переменных будет незначительна? Если, находясь на поле квантовой механики, мы собираемся работать лишь с классическими битами информации, то заплатить можно той частью квантовой информации, которая нам не потребуется. Например, мы согласны потерять информацию о фазе волны, разумно вызывая декогеренцию. Теряя фазу электронной волны на нужном этапе измерения состояния наноструктуры, мы приобретем возможность более точно отсчитывать заряды. Для этого мы должны отслеживать состояние каждого действующего электрона. Такой подход позволяет строить детерминированные автоматы наименьшего размера, которые будут обладать наибольшим быстродействием. Именно поэтому одноэлектроника, позволяющая работать с отдельными электронами, становится одним из важнейших направлений квантовой информатики, ориентированным на работу в рамках классической логики в нанометровом масштабе.
Как отмечалось, проблема флуктуирующих потоков квантовых частиц является общей для всей современной квантовой информатики. В частности, она достаточно глубоко изучена в оптике для случая фотонных пучков. Теоретически было показано, что возможно получать пучки фотонов, дробовой шум которых снижен по сравнению со случаем пуассоновской статистики. Это достигается за счет потери информации о поляризации. Эксперименты подтвердили предсказание теории. Уже получены непуассоновские пучки фотонов с повышенной упорядоченностью потока частиц.
У электронов имеется еще одно общее с фотонами свойство. Важная физическая характеристика света задается направлением колебаний вектора напряженности электрического поля. Это связано с тем, что фотоны имеют собственный механический угловой момент вращения, называемый спином. Аналогичным свойством обладают и электроны. О том, какое применение поляризованные электроны находят в современной электронике, см. статью «Спинтроника» на стр. 30.
Первые экспериментальные образцы одноэлектронных нанотранзисторов (Sandia National Labs, конец 1990-х) были довольно большими, так как для их производства применялась 20-нм литография, и функционировали только при температуре жидкого гелия (4,2 °К). При комнатной температуре смогли заработать лишь транзисторы с размером рабочей области 1–2 нм, недоступным современной литографии. Получить рабочие элементы транзисторов столь малых размеров удалось с помощью молекулярно-кластерной технологии («КТ» #364), которая, в принципе, позволяла размещать 2500 и более рабочих элементов на одном квадратном микроне. Оказалось, что для создания нанотранзисторов можно пользоваться гораздо большим разнообразием строительных материалов, чем в обычной полупроводниковой электронике. Связано это с уже упоминавшимся свойством веществ менять свою электронную структуру в зависимости от того, в каком количестве вещество берется. Малый кластер может быть изолятором, а большой — проводником. Если сюда добавить возможность комбинировать различные химические элементы, создавая строительные блоки в виде гетероатомных кластеров, то количество разнообразных блоков квантового наноконструктора оказывается невообразимо большим! В настоящее время проводятся исследования кластеров самой разнообразной химической природы, дабы выбрать наиболее удобные для построения наноэлектронных схем.
Одним из самых ярких проявлений квантовых свойств наномира является квантование сопротивления проводников. Согласно теории, проводимость нанообъекта, находящегося в контакте с массивными электродами, к которым приложена разность потенциалов V, определяется количеством квантовых уровней энергии, укладывающихся в интервал ΔE=Q0V. Один энергетический уровень дает сопротивление контакта R=ћ/2Q02 = 12,9 кОм (универсальная постоянная [3]). На двух контактах получается что-то около 30 кОм. Наиболее эффектно явление квантования проводимости выглядит для одномерных квантовых структур — квантовых нитей (рис. 4).
Энергетические уровни в наноструктуре формируются под влиянием электрического взаимодействия электронов друг с другом по закону Кулона. Можно создать такие условия, когда первый электрон, занявший единственное свободное состояние, будет препятствовать проникновению в квантовый проводник других электронов. Это явление получило название кулоновская блокада. Механизм кулоновской блокады весьма перспективен для реализации одноэлектронного режима работы нанотранзисторов. Действительно, до тех пор, пока в проводящем канале находится один электрон, никакой другой электрон войти в канал не может! Таким способом можно отсчитывать число электронов, прошедших через транзистор, гораздо точнее, чем при использовании обычных электрических цепей.
В конце концов, точность отсчета числа электронов будет определяться быстродействием схемы — в силу принципа неопределенности Гейзенберга: ΔE · Δt ~ ћ, где Δt — неопределенность отсчета времени прохождения электрона через канал нанотранзистора, а ΔE — неопределенность энергии электрона. Для увеличения быстродействия прибора необходимо увеличивать «размазывание» электрона по энергиям, не выходя, однако, за границы, устанавливаемые режимом существования кулоновской блокады. При конструировании нанотранзисторов режим блокады устанавливается либо экспериментально, либо путем сложных квантовомеханических расчетов. Величина Δt — это фактически постоянная времени электрической RC-цепи. Расчеты дают примерно следующие типовые параметры для молекулярно-кластерного проводника: R~30 кОм, C~10–9нФ, Δt ~ 10–13 с. Теоретически это составляет быстродействие несколько тысяч гигагерц.
В 2004 г. в University of California (Irvine) на основе однослойной углеродной нанотрубки с золотыми электродами был создан нанотранзистор, работающий на частоте 2,6 ГГц. В том же году в Infineon Technologies на основе углеродных нанотрубок меньшего размера был создан рекордно малый нанотранзистор: диаметр трубки 0,7–1,1 нм при длине канала 50 нм. Электроды стока и истока были выполнены из палладия. Транзистор обладает также рекордно высоким отношением сопротивлений в закрытом и открытом режимах — около 106.
В обычной микроэлектронике для создания транзисторного эффекта необходим полупроводник. Почему? Потому что полупроводник позволяет создать среду с легко управляемой концентрацией заряженных частиц, ответственных за проводимость. Диэлектрики ток вообще не пропускают. Они пригодны лишь для создания изоляции между токоведущими частями. В металлах же концентрация свободных заряженных частиц настолько высока, что внешнее электрическое поле, приложенное через изолирующий затвор, внутрь металла практически не проникает. Однако если тот же металл взять в количестве нескольких атомов, то электронные свойства такого образования, нанокластера, будут напоминать свойства полупроводника. Это позволяет сконструировать транзистор нанометровых размеров на основе атомов металла с использованием окисла в качестве изолятора (рис. 5).
И тут на первый план выходят проблемы надежности наноструктур и технологичности их изготовления. Оказалось, что время жизни слоя, толщина которого составляет всего лишь несколько атомов, чрезвычайно мало, в условиях нормальной эксплуатации. Это связано с тем, что плохо закрепленные атомы предпочитают перемещаться по наноструктуре или по подложке в поисках более крепкой связи, чему особенно способствует разогрев конструкции, а также электромиграция.
Впрочем, быстро выяснилось, что некоторые кластерные конфигурации обладают высокой устойчивостью, и все наружные атомы в них удерживаются очень прочно. Такие кластеры получили название магических, а числа входящих в них атомов — магических чисел. Например, для атомов щелочных металлов магические числа — 8, 20, 40, для атомов благородных металлов — 13, 55, 137, 255. Кстати, C60, C70 и другие фуллерены — тоже магические. Магическими же являются и углеродные нанотрубки. Это обстоятельство обусловило перспективность технологии предварительного создания магических наноструктур в специальных реакторах и последующего их использования при сборке нанотранзисторов.
Было обнаружено, что транзисторный эффект наблюдается также в молекулах (рис. 6), которые можно в массовом порядке синтезировать химическим путем.
Еще один неожиданный поворот — использование структур молекулярной биологии: молекул ДНК, белков и др. Причем не только в качестве рабочих элементов будущих транзисторов, но и для сборки элементов нанотранзисторных структур — на основе генетических технологий. Например, в американском Scripps Research Institute получена отдельная молекула ДНК в виде полой октаэдрической структуры (рис. 7) диаметром 22 нм. Внутренняя полость способна вместить сферу диаметром 14 нм. Одна из целей ученых — использование трехмерных ДНК-структур для создания сложных трехмерных логических цепей в устройствах молекулярного масштаба.
Уже разработаны способы манипуляции атомами и нанокластерами некоторых металлов, магнетиков и полупроводников с использованием молекул ДНК.
Например, в Northwestern University (США) в 2004 году разработан метод присоединения кластеров золота, а также кластеров ферромагнетика (окись железа) к молекулам ДНК, несущим кодовые последовательности из цепочек нуклеотидов. Это позволило с помощью ДНК-реакций получать кластерные цепи, в которых кластеры золота чередуются в нужной последовательности с кластерами ферромагнетика.
Не исключено, что союз наноэлектроники с молекулярной биологией в обозримом будущем сделает возможным появление самовоспроизводящихся металлоорганических нанокиборгов. Подробнее об этом — в статье «Нанокомпьютеры».
Ссылки:
[1] www.physicsweb.org/article/news/7/6/16.[2] www.researchweb.watson.ibm.com/resources/news/20010425_Carbon_Nanotubes.shtml.[3] Van Wees B.J., Van Houten H., Beenakker C.W.J. et al. Phys.Rev.Lett, 1988, v.60, p.848.
Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.old.computerra.ru
Брянская государственная сельскохозяйственная академия
Кафедра информационных технологий
Реферат
На тему: «Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. Успехи и перспективы транзисторостроения»
Брянск 2011
Содержание:
Введение 3
Введение Еще 15-20 лет назад многие даже и не задумывались над возможной заменой кремния. Мало кто мог предполагать, что уже в начале двадцать первого века между полупроводниковыми компаниями начнется настоящая «гонка нанометров». Постепенное сближение с наномиром заставляет задуматься, а что же будет дальше? Будет ли продолжен знаменитый закон Мура? Ведь с переходом на более тонкие производственные нормы перед разработчиками предстают все более сложные задачи. Многие специалисты вообще склонны считать, что через десяток-другой лет кремний приблизится к физически непреодолимой границе, когда создавать более тонкие кремниевые структуры уже будет невозможно. Судя по последним исследованиям, одними из наиболее вероятных (но далеко не единственных) кандидатов на должность «кремниезаменителей» являются материалы на основе углерода — углеродные нанотрубки и графен — которые, предположительно, могут стать основой наноэлектроники будущего. Разработок, связанных с графеном пока гораздо меньше, но это ни чуть не умаляет его достоинства. Часть исследователей полагают, что графен является более перспективным материалом, чем углеродные нанотрубки. Тем более, некоторые достижения исследователей, которые произошли совсем недавно, придают немного оптимизма.
1.Графен Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов. Графен - новейший материал с потрясающими свойствами - скоро покинет стены научных лабораторий. Уже сейчас физики, химики и инженеры-электронщики много говорят о его уникальных возможностях. В октябре 2004 года информационный ресурс BBC News сообщил о том, что профессор Андре Гейм со своими коллегами из Манчестерского Университета (Великобритания) совместно с группой доктора Новоселова (Черноголовка, Россия) сумели получить материал толщиной в один атом углерода. Названный графеном, он представляет собой двухмерную плоскую молекулу углерода толщиной в один атом. Впервые в мире удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. Тогда же Геймом и его командой был предложен так называемый баллистический транзистор на базе графена. Графен позволит создавать транзисторы и другие полупроводниковые приборы с очень малыми габаритами (порядка нескольких нанометров). Уменьшение длины канала транзистора приводит к изменению его свойств. В наномире усиливается роль квантовых эффектов. Электроны перемещаются по каналу как волна де Бройля, а это уменьшает количество столкновений и, соответственно, повышает энергоэффективность транзистора. Графен можно представить в виде «развернутой» углеродной нанотрубки. Повышенная мобильность электронов переводит его в разряд наиболее перспективных материалов для наноэлектроники. Поскольку с момента получения графена не прошло и трех лет, его свойства пока изучены не очень хорошо. Но первые интересные результаты экспериментов уже есть.
2.Углеродные нанотрубки После того, как к традиционным трем аллотропным формам углерода (графиту, алмазу и карбину) добавилась еще одна (фуллерены), на протяжении нескольких последующих лет с исследовательских лабораторий шквалом посыпались сообщения об открытии и изучении разнообразных структур на основе углерода с интересными свойствами, таких как нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсные материалы. В первую очередь представляют интерес углеродные нанотрубки — полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров (длина традиционных нанотрубок исчисляется микронами, хотя в лабораториях уже получают структуры длиной порядка миллиметров и даже сантиметров). Эти наноструктуры можно представить следующим образом: просто берем полоску графитовой плоскости и сворачиваем её в цилиндр. Конечно, это лишь образное представление. В действительности же непосредственно получить графитовую плоскость и скрутить её «в трубочку» не представляется возможным. Методы получения углеродных нанотрубок являются довольно сложной и объемной технической проблемой. Углеродные нанотрубки характеризуются большим разнообразием форм. К примеру, они могут быть одностенными или многостенными, прямыми или спиральными, длинными и короткими, и т.д. Что важно, нанотрубки оказались необыкновенно прочными на растяжение и на изгиб. Под действием больших механических напряжений нанотрубки не рвутся, не ломаются, а просто перестраивается их структура. Кстати, раз уж зашла речь о прочности нанотрубок, интересно отметить одно из последних исследований природы этого свойства. Кроме того, нанотрубки демонстрируют множество неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств, которые уже стали объектами ряда исследований. Особенностью углеродных нанотрубок является их электропроводность, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Они также имеют прекрасную теплопроводность, стабильны химически и, что самое интересное, могут приобретать полупроводниковые свойства. По электронным свойствам углеродные нанотрубки могут вести себя как металлы, либо как полупроводники, что определяется ориентацией углеродных многоугольников относительно оси трубки. Нанотрубки склонны крепко слипаться между собой, формируя наборы, состоящие из металлических и полупроводниковых нанотрубок. До сих пор трудной задачей является синтез массива из только полупроводниковых нанотрубок или сепарация (отделение) полупроводниковых от металлических. С новейшими способами решения этой проблемы мы познакомимся далее. 3.Транзисторы Транзи́стор (transistor) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). 4.Транзистор на основе углеродных нанотрубок Одна из главных проблем - способ синтеза массива, состоящего только из нанотрубок с определенными свойствами, формой и габаритами, который смог бы быть внедрен в массовое производство, на данный момент пока не создан. Большее внимание уделяется сортировке «смешанного» массива, состоящего из нанотрубок с полупроводниковыми и металлическими свойствами (не менее важной является также сортировка по длине и диаметру). Тут уместно вспомнить одну из первых разработок в этой области, которая принадлежит компании IBM, после которой перейдем к последним достижениям. В работе, датированной апрелем 2001 года, «Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown», сообщается, что исследователи компании IBM впервые построили транзистор на основе углеродных нанотрубок, имеющих диаметр в 1 нанометр, и длиной порядка единиц микрон. Внимание акцентировалось на том, что им удалось найти способ, позволяющий в перспективе сделать такое производство массовым. Ученые из IBM разработали метод, который позволил им разрушать все металлические нанотрубки и при этом оставить неповрежденными полупроводниковые. На первом этапе массив нанотрубок помещают на подложку диоксида кремния. Далее поверх нанотрубок формируются электроды. Кремниевая подложка играет роль нижнего электрода и способствует запиранию полупроводниковых нанотрубок. Далее подается избыточное напряжение. В результате «незащищенные» нанотрубки с металлическими свойствами разрушаются, а полупроводниковые остаются целыми и невредимыми.
5.Транзисторы на основе графена
Графеновые транзисторы обладают наноразмерным охлаждающим эффектом, за счет которого снижается их температура.
Это обнаружили американские исследователи во главе с профессорами Уильямом Кингом и Эриком Попом, которые опубликовали результаты в издании Nature Nanotechnology.
Как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева. В компьютерах с кремниевыми чипами для охлаждения используются вентиляторы или радиаторы, которые потребляют массу энергии.
Микросхемы в компьютерах будущего сделаны из графена — углеродной решетки в 1 атом толщиной. Они быстрее кремниевых и более энергоэффективны. Однако вследствие недостаточных измерений полное понимание графеновых устройств пока ускользает от ученых.
Исследователи из университета Иллинойса с помощью наконечника атомно-силового микроскопа в качестве температурного зонда совершили первые температурные измерения работающего графенового транзистора.
Измерения эти выявили удивительные температурные явления в точках, где графеновый транзистор касается металлических контактов. Ученые установили, что в таких контактах термоэлектрические охлаждающие эффекты могут быть сильнее резистивного нагрева, фактически снижая температуру транзистора.
«В кремнии и большинстве других материалов электронное нагревание больше самоохлаждения», сказал Кинг. «Однако мы установили, что в графеновых транзисторах есть области, где охлаждение выше нагрева, что позволяет этим устройствам самоохлаждаться. Ранее подобное не было замечено в графеновых транзисторах».
Этот эффект означает, что графеновая электроника может требовать лишь незначительного охлаждения, а то и вовсе никакого, что приведет к повышению энергоэффективности и росту привлекательности графена как замены кремния.
В дальнейшем ученые намерены провести температурное исследование амплитудно-частотной модуляции, чтобы изучить нагревание и охлаждение в углеродных нанотрубках и других наноматериалах.
6.Одноэлектронный транзистор В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя. Метод получения графена и графеновых микросхем Данный метод получения графена и графеновых микросхем (Рис.5), предложен Вальт де Хиром и его коллегами. Нагревая подложку карбида кремния в высоком вакууме, ученые заставляют атомы кремния покинуть подложку, в результате чего остается только тонкий слой атомов углерода (графен). На следующем этапе они наносят фоторезистивный материал (фоторезист) и применяют традиционную электронно-лучевую литографию для вытравливания требуемых «узоров», то есть используют повсеместно применяемые сейчас производственные технологии. Это и является существенным преимуществом графена перед нанотрубками. В результате ученым удалось вытравливать 80-нм наноструктуры. Таким способом был создан графеновый полевой транзистор. Серьезным недостатком можно назвать большие токи утечки созданного прибора, хотя ученых тогда это нисколько не огорчило. Они полагали, что на начальном этапе это вполне нормальное явление. Кроме того, было создано вполне работоспособное устройство квантовой интерференции, которое можно применять для управления электронными волнами.
7.Нанотрубочный транзистор
Графеновые транзисторы способны взаимодействовать с живыми клеткамиКоманда исследователей из Мюнхенского технического университета заявила о том, что ей удалось создать платформу, позволяющую электронике осуществлять взаимодействие непосредственно с клетками мозга. В основе разработки лежит массив из транзисторов на базе графена – материала на основе углерода, который обладает уникальными свойствами. Созданное учеными устройство способно не только передавать электрические импульсы клеткам мозга, но и регистрировать обратную реакцию. Использование для таких целей традиционных кремниевых полупроводников невозможно, так как кремний не обладает способностью смачиваться. Графен обладает химической устойчивостью, биологической инертностью и позволяет создавать полупроводниковые приборы с непревзойденной производительностью. Кроме того, транзисторы из графена значительно дешевле в производстве, чем кремниевые, так как материал создается искусственно. В ходе исследования ученые создали массив из 16 полевых графеновых транзисторов, размещенных на подложке из медной фольги. Графен был помещен на подложку методом осаждения паров, а транзисторы созданы с помощью фотолитографии и травления. Позже ученые вырастили поверх транзисторов слой клеток сердечной мышцы. В результате было обнаружено, что транзисторы без проблем способны регистрировать электрические сигналы этих клеток. Дальнейшие труды исследователей будут направлены на создание массивов транзисторов на гибкой подложке, а также на увеличение числа транзисторов на одной подложке.
8.Полевой транзистор
На основе полупроводниковой или металлической нанотрубки удалось сделать полевые транзисторы , работающие при комнатной (в первом случае) и сверхнизкой (во втором) температуре. Полевые транзисторы (триоды) - электронные устройства, на перенос заряда через которые оказывает сильное влияние внешнее (управляющее) электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т.п.
В транзисторе на полупроводниковой нанотрубке электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний (рис. 5). В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью - запрещенной зоной. Из-за наличия этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле и изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При потенциале затвора около –6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление - минимального, а нанотрубка становится металлической.
При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используются эффекты туннельного переноса электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Из-за конечной длины нанотрубки ее электронный спектр, строго говоря, не непрерывен, а дискретен, с расстоянием между отдельными уровнями ~1 мэВ при длине нанотрубки ~1 мкм (рис. 6). Такой характер расщепления уровней, конечно, не сказывается на электропроводности нанотрубки, например, при комнатной температуре (0.025 эВ), но полностью определяет ее электрические свойства при температуре ниже 1 К.
Проводимость металлической нанотрубки в таких условиях обусловлена тем, что электроны перескакивают (туннелируют) с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки на нижний незаполненный уровень анода. В пределах нанотрубки туннелирование электрона происходит очень легко (практически без рассеяния и без потерь энергии) за счет p-электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки. Высокая металлическая проводимость в электрической цепи возможна в случае, если так же легко осуществляется перенос электронов между нанотрубкой и электродами. В эксперименте это достигается возможно более точной подгонкой уровней Ферми электродов к энергии проводящего уровня нанотрубки. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает.
9.Нанотрубка в роли транзистора
Для того, чтобы сделать транзистор на основе нанотрубок, не нужно прилагать дополнительных усилий: делать между ними полимерные переходы и т.п. Как установили ученые из Калифорнийского университета UCSD и университета Клемсона, Y-образная нанотрубка полностью выполняет функции транзистора, обладая при этом более высоким быстродействием.
Впервые выращенная нанотрубка становится нанотранзистором без какой-либо дальнейшей обработки. Использование этих наноструктур в современной электронике позволит существенно уменьшить размеры и ускорить производительность компьютерных чипов и других электронных устройств, работающих на полупроводниковых транзисторах. Быстрое развитие микроэлектроники в конце XX-го века обусловлено, в первую очередь, постепенным уменьшением размеров транзисторов, которые стали базовым блоком почти всех бытовых и промышленных устройств.
Однако, в конце текущего десятилетия будет достигнут предел миниатюризации транзисторов. По словам специалистов Intel, изготовление транзистора размером менее 100 нанометров сопряжено с большими трудностями и без радикального изменения производственного процесса невозможно вообще.
student.zoomru.ru
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
«ПРОЗРАЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ»
Выполнил: студент
первого курса МТЭ-121
Бакланов А.
2013 г.
Содержание
1.Введение
2.Принцип функционирования
3.Современный уровень развития
4.Заключение
5.Литература
Введение
В последнее время, всё больше внимания стало уделяться новому направлению в электронике, а именно прозрачной электронике. Это направление довольно-таки перспективно и открывает много новых возможностей. Изобретение, о котором сегодня речь, в перспективе может пригодиться, например, для превращения всей поверхности лобового стекла автомобиля в совершенно прозрачный и в то же время информативный многоцветный дисплей. Представьте себе шлем военных, на защитный лицевой пластик которого можно выводить карту местности, интерактивный компас и другую нужную информацию. Или стать прототип нового поколения носителей класса "электронная бумага" – столь дешёвых и доступных, что из такой бумаги не то что электронные книги делать – ею будет не жалко обклеивать окна. А уж какую одежду можно будет делать из такого материала! Прозрачную или полупрозрачную, отливающую всеми цветами радуги или меняющую рисунок также легко, как сейчас мы меняем одну музыкальную композицию в MP3 плеере на другую. Соответствующие технологии уже разрабатываются. Массовый выпуск прозрачной электроники, как ожидается, начнется уже через год или два. Развитие технологий обещает внедрить прозрачные электронные схемы во многие сферы нашей жизни. А может быть, всё будет совсем не так, и все эти сегодняшние фантазии через десяток-другой лет будут выглядеть так же смешно, как ламповые компьютеры фантастов на ионных космических кораблях? Ведь неведомые свойства новых материалов всегда приводят к изобретению совершенно неожиданных форм их использования…
Но для создания прозрачной электроники необходимы прозрачные компоненты. В этом реферате речь пойдёт о прозрачных транзисторах, о способах их создания, и о том на каком этапе сегодня находится их производство.
Способ изготовления
На данный момент существует несколько способов создания прозрачных транзисторов. Один из них это создание транзисторов на основе углеродных нанотрубок с толщиной стенок этих самых трубок всего в один атом. Данный способ позволяет получать транзисторы обоих типов. При этом трубки используются в качестве активного канала, а используемые с ними электроды из оксида индия-олова выполняют функции классического истока, затвора и стока.
Теперь – вкратце о сути технологии. Первым делом на кварцевой подложке выращиваются нанотрубки. Затем они "печатаются" на стеклянную или полиэтиленовую подложку с предварительно нанесёнными электродами затвора из оксида индия-олова (indium-tin oxide), и далее наносятся прозрачные электроды стока и истока. В отличие от нетрассированных способов нанесения нанотрубок, масштабная техника структурирования нанотрубок позволяет получить транзисторы с высокой производительностью, высокой прозрачностью и механической гибкостью.
Также американские и корейские физики расработали способ создания гибких и прозрачных транзисторов на основе графена и «мятых» пленок,состоящих из оксида алюминия. Физики объяснили, что подложка затвора должна изготавливаться из диэлектрического материала. В роли такогоматериала обычно выступает соединение металлов и кислорода, или оксид кремния. Однако ни одно из названныхсоединений не имеет достаточную гибкость для работы в «растягивающихся» транзисторах. Это крайне затрудняетразработку полностью гибких чипов и дисплеев. Ен Хи Ли со своими коллегами решил эту проблему необычным способом. Ученые «свернули» диэлектрическую подложкуи превратили ее из листа в «змейку». Когда подложка растягивается - она просто выпрямляется, но не рвется. Физиками успешно изготовлены несколько таких транзисторов. Они использовали для производства оксид алюминия,применив его в качестве диэлектрика, а также графен для производства проводящих частей транзистора. Как говорятспециалисты, подобные элементы можно использовать для изготовления прозрачных и гибких дисплеев, а также для других электронных приборов.
Исследователи Университета штата Орегон создали первый прозрачный транзистор из ZnO. Этот материал недорог, безопасен и легко обрабатывается. Оксид цинка обладает хорошей электропроводностью, его нетрудно раскатать тонким слоем без привлечения высокотемпературных технологий. Кроме этого, оксид цинка безвреден для окружающей среды.
Также есть способ нанесения транзисторов как краски на бумаге. Это очень перспективная технология, поскольку может привести к появлению исключительно дешёвой электроники с уникальными показателями гибкости и лёгкости. Суть технологии заключается в том, чтобы подобрать краски, одна из которых проводит ток, а другая является полупроводником, после чего нужно напечатать структуру заданной формы на подходящем носителе.
Учёные из университета Мэриленда опубликовали научную работу с описанием бумаги и красок для печати электронных схем с прозрачностью до 83,5%.
Согласно публикации на сайте PhysicsWeb, группа ученых из Японии объявила о разработке нового типа прозрачного полупроводника.
Хидео Хосоно (Hideo Hosono) и его коллеги из университетов Japan Science and Technology (Кавасаки) и Tokyo Institute of Technology (Токио), разработавшие технологию создания прозрачных транзисторов на базе монокристаллической тонкопленочной структуры окиси полупроводника, утверждают, что их разработка позволяет добиться скорости работы в десятки раз большей, нежели предыдущие.
Структура прозрачного полевого транзистора, выполненная на основе индий-галлиевого окисла и оксида цинка - InGaO3(ZnO5)5/ZnO
Как известно, окислы полупроводников, благодаря своей высокой прозрачности, широко используются в качестве пассивных покрытий при создании, например, дисплеев и солнечных батарей. Впрочем, в чистом виде эти вещества электрический ток не проводят, и ученым приходится работать над созданием сложных соединений. Увы, нынешние разработки на базе таких прозрачных материалов как, например, оксид цинка, обеспечивают подвижность электронов лишь на уровне 1 – 3 см²/В/с при комнатной температуре, что, в целом, маловато для создания эффективных полевых транзисторов.
Японским ученым, согласно публикации в 2003 Science 300 1269, удалось создать прозрачные полевые (FET) транзисторы с подвижностью электронов порядка 80 см²/В/с. Полученный результат ученые объясняют тем, что для создания таких транзисторов использовалась монокристаллическая тонкая пленка окиси полупроводника, которая, ко всему прочему, благодаря своей структуре, является бездефектной.
Современный этап развития
Одна из основных причин возникновения такого интереса и активности в области прозрачной электроники – недавние серьезные достижения в увеличении подвижности носителей заряда (электронов и дырок) в прозрачных полупроводниках. Так, была значительно увеличена подвижность носителей в низкотемпературном поликремнии (low-temperature poly-Si) и аморфном кремнии, используемых в жидкокристаллических панелях.
Более того, удалось снизить стоимость компонентов. Прозрачные полупроводники типа GaN и алмаза уже известны, но они имеют высокую стоимость, что делает невозможным их использование в массовых прозрачных электронных приборах, требующих относительно больших экранов.
Оксиды, привлекающие повышенный интерес, могут быть разделены на две группы. Первая – оксид цинка (ZnO), и вторая – аморфные оксиды с содержанием тяжелых металлов типа аморфного InGaZnO4(а-IGZO). Обе пропускают видимый свет и почти полностью прозрачны. Подвижность носителей (мера их скорости в данном электрическом поле) в материалах, сделанных на основе ZnO, составляет 250 см²/В∙с. За последние несколько лет темп разработок ускорился, что связано с ростом подвижности носителей в ZnO, а изготовители активно создают приложения, основанные на a-IGZO. Хотя подвижность носителей в ZnO выше, чем в a-IGZO, тем не менее для изготовления дисплеев с большими экранами и электронной бумаги применяются материалы на базе a-IGZO.
Традиционные TFT-технологии на основе аморфного и поликристаллического кремния, хорошо подходящие для многих текущих приложений (почти все цветные экраны мобильных телефонов используют их), совершенно не пригодны для гибких и прозрачных приборов. Кроме того, такие TFT имеют малую подвижность носителей заряда, что ограничивает рабочие частоты для приборов этого типа. Органические TFT лучше подходят для гибких приложений и могут быть сделаны прозрачными. Однако подвижность носителей в них вообще весьма низкая, порядка 5 см²/В•с, что ограничивает быстродействие и, кроме того, они имеют относительно большие размеры.
| Рис. 3. NWTS на пластмассовой подложке, полностью прозрачные и гибкие. Стрелки указывают на транзисторные матричные области |
Комбинация превосходной оптической прозрачности (до 81%) и механической гибкости соединений In2O3 и ZnO делают NWTS на их основе незаменимой технологией для изготовления прозрачных и гибких электронных устройств. Новые разработки демонстрируют, что наноэлектроника может быть полностью прозрачной и гибкой при очень высоком качестве (рис. 3). Устройства с NWTS изготовляются с использованием низкотемпературных методов обработки, которые позволяют интегрировать на пластик другие необходимые компоненты для достижения гибкости и легкости сборки.
Заключение
Таким образом наука не стоит на месте, разработка и производство прозрачных транзистор идет полным ходом. Опытные образцы уже были получены учёными из Японии, Америки и Германии, но эта область электроники только начинает своё развитие. А значит ещё очень много предстоит сделать, чтобы открыть дверь в мир прозрачной электроники.
http://www.xakep.ru/post/60066/default.asp
http://modnews.ru/news/view/7192
http://hard.compulenta.ru/38581/
http://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?00/44/71
http://ko.com.ua/prozrachnaya_jelektronika_33889
studfiles.net
Министерство общего и профессионального образования РФ
Уральский государственный технический университет
Кафедра Физической и Коллоидной Химии
Реферат
Нанотехнология. Перспективы развития.
Студент: Ягодин С. И.
Группа: Х-277
Екатеринбург 2003
Содержание.
1 Введение32 Туннельный Микроскоп73 Электронные элементы на основе нанотехнологий94 Наноботы115 Философия196 Заключение23
1 Введение
Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.
На данный момент возможно наметить следующиеперспективы нанотехнологий:
1.Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.
Срок реализации - первая половина XXI века.
2.Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
Срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.
3.Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Срок реализации - начало XXI века.
4.Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
Срок реализации–вторая - четвертая четверть XXI века.
5.Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
Срок реализации: середина XXI века.
6.Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.
Срок реализации: середина XXI века.
7.Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
8.Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.
Срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.
9.Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека.
Срок реализации: после XXI века.
Основные этапы в развитии нанотехнологии:
1959 г.Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г.Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-85 гг.Достижение атомарного разрешения.
1986 г.Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г.Манипуляции единичными атомами.
1994 г.Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
Однако принято считать, что нанотехнология "началась" когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.
Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10-9м).
До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии - до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, "размывающие" планарные структуры. Более "холодные" технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.
Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решение которой было найдено в 1981 году.
2Туннельный микроскоп.
В 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных - с точностью до отдельных атомов - низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии.
Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность и высокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.
Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.
Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции.
Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок.
Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов:
Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применяемого вещества.
В жидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакции сложнее, чем в предыдущем случае.
Синтезируя подложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава, можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис.
Ширина линии букв - десятки атомов
В последние годы для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако они не позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется для практических целей.
Поэтому главное направление развития технологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.
3 Электронные элементы на основе нанотехнологий.
Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.
В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012Гц.
Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым "тиранией межсоединений". Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое числосвязей между элементами.
4Наноботы.
MEMS-технологии и мини-роботы Сандиа
Многие эксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризатора позволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в его лекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронные компоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но если пророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью очень быстро - уже в 1960-70-е годы, - то прогресс в электромеханических микросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.
Фактически, понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздо труднее, чем полагали оптимисты.
Сейчас самой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.
Опыт, накопленный разработчиками Сандиа
в миниатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектных микроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач под управлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательных задач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишь на преодоление десятка метров.
Роботы «сухие» и «мокрые»
Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.
«Сухие нанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий - вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью. Укладывание молекул друг на друга - следующая задача, которая будет решена в ближайшие годы.
Например, исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок. С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы.
Быть может, «мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют также микробиороботами.
Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase). В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.
Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы
биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.
Саморепликация.
Производство нанороботов всё ещё затруднено по двум причинам: проблема «толстых пальцев»- недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, как ни странно, возможно решить только при помощи самих нанотехнологий. Если для проектирования схемы нужен мощный процессор, работающий на высокой частоте, то для массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могут предоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не под силу любыми устройствами произвести количество нанороботов, соответствующее современной концепции их применения. Для обеспечения простейших задач, поставленных перед нанороботом, их нужны сотни, если не тысячи. На сегодняшний день разработка в этом направлении возможна лишь в теоретическом виде. Однако уже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его. Также этот вопрос исследует философия. Дело в том, что при разговорах о репликации, самовоспроизведении роботов неизбежно возникают мысли о выходе их из-под контроля.Вплоть до того, что нанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества по скользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот термин получил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого Sun Microsystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли в нас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, что микроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, в случае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой и пожирающей все вокруг массы - «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзя назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейших технологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» - разрушительных микромашин - в качестве мощного оружия.
В ответ на подобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (Ральф Меркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнология действительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимуму стоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живые системы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать в сложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строить молекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудования сегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали, подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. К сожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простого факта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство из нас, - это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматически начинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будут подобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожи на живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всего будут столь же непохожими.
В качестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесь разрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронного и молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиеся MEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука «взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная манипулировать специально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рук может возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемых системой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографически изготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов для координации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию, управляющие сигналы или лишить микроробота деталей - и он будет действовать так же, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный в глухой лес.
К сожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа - Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаря работам в области самосборных нанокомпозитных материалов. При его непосредственном участии достигнуты весьма примечательные успехи в создании материалов, способных к спонтанной самоорганизации в сложные трехмерные конструкции наномасштаба. Главный же интерес исследований Бринкера, по его собственным словам, это научиться придавать материалам «жизнеподобные» свойства - то есть получать такие материалы, которые чувствуют окружающую среду и соответствующим образом реагируют, могут самоисцеляться и избегать угрожающих их существованию обстоятельств. В двух словах, цель Бринкера - наноматериалы, занимающие промежуточное положение между живым и неживым. Разумеется, робот из таких материалов - это уже далеко не неуклюжий заводской манипулятор в лесной чаще.
Трезвомыслящие ученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна породить серьезные проблемы. Любая технология может быть использована для нанесения ущерба, а не только для всеобщего блага. По масштабам будущего воздействия на человечество нанотехнологии наверняка не уступят индустриальной революции.
В калифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческая организация «Предусмотрительный институт» (Foresight Institute) и девизом «Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава института - Эрик Дрекслер). Здесь был подготовлен набор правил «техники безопасности» для разработчиков и изготовителей молекулярных систем. Среди руководящих принципов, например, такие: искусственные системы-репликаторы не должны иметь способность к воспроизводству в естественной, неконтролируемой окружающей среде. Они должны быть абсолютно зависимыми от источника искусственного питания или от искусственных компонентов, не встречающихся в природе. Они должны использовать коды выявления ошибок и шифрование, предотвращающее непреднамеренные изменения в их конструкции.
Все эти правила выкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных сценариях возможного развития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание развивающейся технологии эволюционирует, а значит, претерпевают изменения и рекомендации, отражая степень осмысления учеными того, как обеспечивать безопасное развитие нанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный спектр нанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а правительства и индустрия.
Современные разработки.
Существующие решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями.
В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа для отображения и подталкивания атомов. Другие - щупами атомно-силового микроскопа для работы с непроводящими материалами. Третьи - микроманипуляторами для перемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутно создается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления, обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы на конкретные молекулы или атомы.
Преимущество подобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводить объект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируя микроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте - а двигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером. Надо сказать, что индустрия, привыкшая к конвейерному производству, новую концепцию воспринимает с трудом.
Пьезокерамические ножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь и наружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенного электрического сигнала. Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способны носиться намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков в секунду), причем разным «аллюром» - либо семенить крошечными шагами по 2 нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз. Пока что в МТИ сосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно и интегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовых микроскопов.
Некоторые исследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными, добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэ управляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов. Они справляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба или захват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чем NanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами, немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируют такими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.
После того как управляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретной клетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения, находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит в другое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно, могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя. Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквально секунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраивать систему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборки всего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операций автоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будут осуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведется совместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействие им оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath & Weiss.
Среди крупномасштабных разработчиков MEMS– фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят пример с радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одном кристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всеми стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее. Благодаря интегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать не только для внешней коммуникации, но и для внутренней - например, между отдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будут сделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей. На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика и приемника.
5 Философия.
Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую очередь философского характера.
Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающем создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».
Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно.
Остаётся опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей и рассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практика развития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит и не собирается происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когда система осознает саму себя и у неё появятся собственные цели.
На современном этапе развития поведение компьютерных систем слишком жёстко ограничивается алгоритмическими программами. Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеров только сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, а органов воздействия на окружающие предметы практически нет.
Развитие нанокомпьютеров неизбежно будет связано с созданием нейросетей, допускающих случайные отклики на внешние воздействия, и ростом взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростом быстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения сознания.
Но отказ выполнять волю человека может произойти не только из-за того, что наносистемы начнут проявлять свою волю, противостоящую воле человека, а из-за недостаточного понимания людьми последствий исполнения собственных желаний наносистемами. Человек не может предусмотреть всех последствий деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности. Станислав Лем это образно описывает так: «По-видимому, когда в среде обитания появляются зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов в машины, а от машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, его унаследуют молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленых молекул, преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность их интеллекта настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинке поместится умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетов вместе с их учеными советами,–тогда уже сам черт не поймет, кто кем управляет: люди шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не о пресловутом бунте машин, не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когда в моде была футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но о процессе совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности так же, как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправно делают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов, начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в самом начале… И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат превосходство над людьми–не угрозами и не силой, но так, как ученый совет, состоящий из дважды профессоров, превосходит мальца в коротких штанишках. Ему не понять их коллективной мудрости, как бы он ни старался. И даже если он принц и может приказывать совету, а совет добросовестно исполняет его капризы, все равно результаты разойдутся с его ребяческими ожиданиями,–например, захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не по-сказочному, как он, несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете, но на чем-нибудь вроде аэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку даже наивысшая мудрость в силах осуществить только то, что возможно в реальном мире. И хотя мечты этого сопляка исполнятся, их исполнение каждый раз будет для него неожиданностью. Возможно, в конце концов, мудрецам удалось бы растолковать ему, почему они шли к цели не тем путем, который он им указал, ведь малыш подрастет и сможет у них учиться; но среда обитания, которая умнее своих обитателей, не может разъяснить им то, чего они не поймут, ведь они - скажем, наконец, прямо–слишком глупы для этого».
Кроме самопроизвольного неподчинения систем в силу их воли или глупости человека существует ещё много возможностей отказа наносистемы выполнить волю человека. Части этих отказов можно, теоретически избежать, другой части нельзя избежать в принципе.
Системы наномашин кто-то будет проектировать. Разработка наносистем на начальном этапе требует огромных затрат труда. Естественно, люди, разработавшие наносистемы, могут предусмотреть в их программе подчинение лишь себе или покупателю, но отказ служить другим людям. Таким образом, мир может разделиться на две группы людей (фирм, компаний, государств). Одним наносистемы будут подчиняться, а другим не будут.
Лем о новом мире и создателях наносистем пишет: «Но если в этой перекроенной на новый лад гармонии что-то разладится, кто исправит ее? А так как кто-то должен ее к тому же запроектировать и запустить в производство, это лицо или группа лиц будут склонны самозванчески, явным или, что еще хуже, тайным образом взять себе роль Господа Бога в этом всепредставлении».
Практически невозможно избежать неповиновения наносистемы, если желания нескольких человек взаимоисключают друг друга. В этом случае наносистема, исполняя приказ одного человека, не будет повиноваться другому. Но этими вопросами занимается уже теория систем. Нанороботы в этом плане ничем не будут отличаться от сегодняшних и будущих роботов, разве только нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем, несмотря на отсутствие аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены.
Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативные изменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.
Но не нарушит ли человек гармонию мира, искусственным путём достигнув бессмертия? Кроме проблемы перенаселённости Земли, которую, в принципе, можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другие доводы против бессмертного человека.
Во-первых, поколение людей несёт с собой определённые моральные устои, мировоззренческие взгляды, и длительная жизнь одного поколения может привести к застою в развитии общества.
Во-вторых, с возрастом человек проявляет всё меньше интереса к жизни, в нём растёт усталость, груз накопленных знаний и переживаний гнетёт его, так что смена поколений необходима для поддержания активности всё время на высоком уровне.
В-третьих, опыт говорит нам, что любой развивающийся процесс в природе имеет своё начало и свой конец. Бесконечным может быть лишь стационарный или циклический процесс. Так как неотъемлемым атрибутом жизни является развитие, то любой жизненный процесс рано или поздно должен заканчиваться смертью.
Но отрицание возможности бессмертия не означает невозможность долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений на длительность жизни человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скорее всего, можно стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшее увеличение длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроения каждого человека лично.
«Истинному» – временному долголетию человека можно противопоставить альтернативный вариант «внутреннего» долголетия, которое может дать молекулярная нанотехнология. В этом случае, внедрённые в мозг наносистемы так изменяют процессы мышления, что ход внутреннего времени человека многократно ускоряется. За прежний промежуток времени человек субъективно будет проживать во много раз больше. Но такому мозгу будет казаться, что весь мир впал в дрёму, так как для него все физические перемещения будут выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе. Вряд ли такое долголетие придётся по вкусу многим людям.
Переделка человеческого организма с целью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощью молекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем (хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Но даже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этот шанс предоставляет крионика - замораживание организма до сверхнизких температур после клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточно богатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечить человека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделивших его участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что тело будет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни того не другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного» человека рассматривался во множестве различных произведений, от научно-фантастических до философских.
Заключение.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. С точки зрения автора, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники. Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология – привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимися практически бесполезными на фоне нанотехнологии.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью. К тому времени накопится достаточно «контента» для распространения, хотя кто знает, может быть по этим сетям будет передаваться и материя, ведь разработки в области телепортации также связаны с небезызвестным имненем IBM.
Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая аресловутый холодильник с доступом в интернет. Микробототехникой занимается множество лабораторий по всему миро, например SANDIAи MEMX. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Список литературы.
1. Drexler K. Eric; «Engines of Creation.The Coming Era of Nanotechnology»; Anchor Books; 1986; http://www.foresight.org/EOC/index.html
2. Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992; http://nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html
3. Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future:the Nanotechnology Revolution»; 1991; http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html
4. Пётр Лускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера» http://www.computerra.ru/offline/1997/218/828/
5. Михаил Соловьёв; «Нанотехнология - ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютера»http://www.computerra.ru/offline/1997/218/829/
6. Бёрд Киви; «Микроботы: технология будущего сегодня» ; Журнал «Компьютера»http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/
7. Sandia National Laboratories Official Sitewww.sandia.gov
8. MEMX Official Sitewww.memx.com
9. S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.
Copyleft hpf
167718618
superbotanik.net
Нанотехнологическая революция стартовала!
Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах. Так, в США действует программа “Национальная нанотехнологическая инициатива” (в 2001 г. ее бюджет был 485 млн долл., что сопоставимо с годовым бюджетом всей Российской академии наук). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой “нано-”. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. В журнале “Природа” были опубликованы статьи, посвященные отдельным направлениям нанонауки; теперь постараемся бросить взгляд на нее как на единое целое.
Углубляясь в наноджунгли
Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.
Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии.
Новая парадигма в технологии — “снизу вверх”, вытесняющая и дополняющая старую — “сверху вниз” (т.е. от большой заготовки — к готовому изделию путем отсечения лишнего материала), — базируется на глубоких знаниях свойств каждого атома из таблицы Менделеева и использует силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые качества. Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах Rc Ј 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный-немонотонный) при R < Rc. Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере ее иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.
Среди причин размерных эффектов в наномасштабных объектах есть как вполне очевидные, так и заслуживающие дополнительных комментариев. Например, ясно, что доля атомов a, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R, поскольку a ~ S/V ~ R2 /R3 ~ 1/R (здесь S — поверхность частички, V — ее объем). Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от “объемных”, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов. Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества.
Заметим также, что поверхность служит стоком (причем почти бесконечной емкости) для большинства дефектов кристаллической структуры благодаря действию сил изображения * и других причин.
* Силы изображения получили свое название по методу расчета электрических полей, который заключается в мысленном помещении симметрично за границей раздела точно такого же объекта, но противоположно заряженного.
Силы изображения убывают по мере удаления от поверхности, но если размер частички достаточно мал, они могут “высосать” из объема на поверхность большинство дефектов и сделать его более совершенным в структурном и химическом отношениях.
Далее, вспомним: рассматривая любой процесс переноса (протекание электрического тока, теплопроводность, пластическую деформацию и т.п.), мы приписываем носителям некоторую эффективную длину свободного пробега Rf. При R >> Rf рассеяние (или захват и гибель) носителей происходит в объеме и слабо зависит от геометрии объекта. При R < Rf ситуация радикально меняется и все характеристики переноса начинают сильно зависеть от размеров образца.
Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов.
Наконец, если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей. Например, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов, вдоль этого направления начинается размерное квантование.
Для анализа свойств нанообъектов используют широкий спектр физических подходов и методов.
Что и как получают
Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.
Теоретические основы технологий различного масштабно-временного уровня.
Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки — или ее отсутствием — и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.
Схематическая зависимость прочности от плотности атомарных дефектов в материале. G — модуль сдвига.
Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только алмазу. При этом резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала. По пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые покрытия, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Они могут работать как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и в других приложениях.
Способность углерода образовывать цепочки –С–С–С– используется Природой для создания биополимеров, а человеком — синтетических полимеров и разнообразных пластмасс. В 1985 г. Х.Крото с сотрудниками обнаружили в парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Наиболее стабильными из них оказались С60 и С70. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй — регбийного мяча. Позднее их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Р.Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений. Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т.д.
Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность — скрученность решетки относительно продольной оси. При этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов. Кроме того, нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения.
Основные методы создания тонкопленочных структур можно разбить на два больших класса, базирующихся на физическом (в первую очередь, молекулярно-лучевой эпитаксии) и химическом осаждении. При малой толщине (до нескольких атомных слоев) двумерная подвижность осаждаемых на подложку атомов может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности происходит самосборка нанообъектов, обладающих ярко выраженными квантовыми свойствами: образуются квантовые точки, квантовые ямы, квантовые проволоки, кольца и др. Если систему квантовых точек покрыть слоем инертного материала, а затем снова напылить активный материал, то опять образуются островки, самоупорядочивающиеся на поверхности и даже скоррелированные с положением их предшественников. Повторяя такие процедуры множество раз, можно получить объемно упорядоченные структуры (квазирешетки) из квантовых ям или точек, называемые гетероструктурами, и сделать на их основе лазерные источники света, фотоприемники (в том числе инфракрасного излучения в области длин волн 8—14 мкм, соответствующей максимуму теплового излучения человеческого тела), накопители информации. Вся современная микроэлектроника базируется на планарных полупроводниковых технологиях, которые дают возможность создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи.
Наноэлектроника следующих поколений
Любые достижения в нанонауке сначала рассматриваются под углом их приложимости к информационным технологиям. Можно выделить несколько крупных направлений атаки на этом участке фронта:
– уже упоминавшиеся различные устройства на углеродных нанотрубках;
– одноэлектроника, спинтроника и джозефсоновская электроника, в том числе квантовые компьютеры;
– молекулярная электроника, в частности, с использованием фрагментов ДНК;
– сканирующие зондовые методы.
Несмотря на нарастающий уровень трудностей, в течение трех последних десятилетий поддерживается неизменный и очень высокий темп роста всех существенных характеристик в микроэлектронике. Наиболее революционные достижения приближаются к квантовым пределам, положенным самой Природой — когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление — на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех (!) жителей Земли. Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие “0” и “1”, и допускать быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле — перейти с одного атома на другой). Это реализовало бы заветную мечту — одноэлектронное устройство. К сожалению, пока лучшие современные электронные средства неэкономно “тратят” сотни, тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность — переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое (например, воздействуя магнитным полем), чем и занимается спинтроника.
Динамика развития микроэлектроники в предшествующие 30 лет и прогноз на следующее десятилетие на примере роста параметров больших интегральных схем оперативной памяти для персональных компьютеров.
Магнитные квантовые эффекты задействованы также в работе сверхпроводящих элементов, включающих джозефсоновский переход. Последние представляют собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~1 нм) диэлектрика. Один или несколько джозефсоновских контактов включаются в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуются: в кольце из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока. Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному.
Элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Поскольку объем данных, передаваемых в Интернете, удваивается каждые три-четыре месяца, в ближайшей перспективе даже лучшие из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как единственная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам.
Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов. По-видимому, криогенная электроника не будет конкурировать с традиционной полупроводниковой во всех существующих сейчас областях применения. Ее задача — обеспечить основу для новых поколений суперкомпьютеров и высокопроизводительных опорных телекоммуникационных систем, создание которых было бы коммерчески оправданно, несмотря на затраты, обусловленные необходимостью глубокого охлаждения.
В физических лабораториях уже разработано множество джозефсоновских элементов и устройств для применения в качестве не только логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, но и генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, а также высокочувствительных датчиков магнитного поля, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д. Подобные датчики при регистрации малых сигналов имеют чувствительность вблизи фундаментального квантового предела, т.е. в тысячи, десятки тысяч раз выше, чем у традиционных полупроводниковых устройств. Это позволяет использовать их в бесконтактной медицинской диагностике (магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы). На повестке дня — создание магнитной томографии, позволяющей по картине магнитного поля следить за функционированием органов, внутриутробным развитием плода в реальном масштабе времени.
Как реальная альтернатива “кремниевой” электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных “блоков”? Тем более что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. Однако нет сомнений, что в ближайшем будущем они будут играть важную роль во многих приложениях. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль — нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.
Глаза и пальцы нанотехнологии
Появление наноструктур потребовало новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства. С момента изобретения Г.Биннингом и Г.Рорером первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло всего 20 лет, но за это время из остроумной игрушки он превратился в один из мощнейших инструментов нанотехнологии. Сейчас известны десятки различных вариантов зондовой сканирующей микроскопии (SPM — scanning probe microscopy).
Как видно из названия, общее у этих методов — наличие зонда (чаще всего это хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по х и y и на единицы микрометров — по z. Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы:
– сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~0.01-10 В) и регистрируется туннельный ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца;
– атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе;
– ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
В лучших модификациях туннельной и атомно-силовой микроскопии удается обеспечить атомное разрешение, за которое пучковая электронная микроскопия боролась более полувека и сейчас достигает ее в крайне редких случаях. Размеры и стоимость зондовых микроскопов значительно ниже, чем у традиционных электронных, а возможностей даже больше: они могут работать при комнатной, повышенной и криогенной температуре, на воздухе, в вакууме и в жидкости, в условиях действия сильных магнитных и электрических полей, СВЧ — и оптического облучения и т.п. Зондовыми методами можно исследовать самые разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, биологические и другие — без трудоемкой подготовки образцов. Они могут использоваться для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и других свойств поверхности. Особенно интересны попытки зарегистрировать спин-зависимые явления, определяющие величину туннельного тока в зависимости от поляризации одного-единственного электрона в атоме на исследуемой поверхности. Это прямой путь к решению задач одноэлектроники и спинтроники.
Очень важно, что помимо исследовательских функций сканирующая туннельная микроскопия может выполнять еще и активные — обеспечивать захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции, манипулирование отдельными молекулами.
Типовая схема осуществления сканирующих зондовых методов исследования и модификации поверхности в нанотехнологии (а) и три основных типа приборов: б — туннельный микроскоп, в — атомно-силовой микроскоп и г — ближнепольный оптический микроскоп.
Обычно используют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы — горизонтальный и вертикальный. Процесс вертикальной манипуляции отличается от горизонтальной тем, что после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Это, разумеется, требует бо льших усилий, чем “перекатывание” атома по поверхности, но зато потом процесс переноса не зависит от встречающихся на ней препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов). Процесс отрыва атома от поверхности контролируют по скачку тока. После перемещения в необходимое место его “сбрасывают”, приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле. В сущности это пока лишь демонстрация возможности достижения теоретического предела в оперировании веществом при конструировании полезных человеку устройств. Осуществление атомных манипуляций в массовом масштабе, пригодном для производства, требует преодоления многих сложностей: необходимости криогенных температур и сверхвысокого вакуума, низкой производительности и надежности и т.д.
Гораздо больших успехов зондовые методы достигли в нанолитографии — “рисовании” на поверхности различных наноструктур с характерными размерами в десятки нм. Ближе всего к практическим приложениям подошли процессы трех типов: химического окисления поверхности, индуцируемого движущимся острием; осаждения с острия наноостровков металла на поверхность за счет скачка напряжения; контролируемого наноиндентирования и наноцарапания. Минимальные размеры элементов, создаваемых этими способами, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать много лучшего. Диапазон от 1 до 10 нм пока не освоен для литографии даже в лабораторных условиях.
Развитие зондовых методов в направлении силового нанотестинга поверхности дает возможность исследовать механические свойства тонких приповерхностных слоев в нанообъемах, атомные механизмы наноконтактной деформации при сухом трении, абразивном износе, механическом сплавлении и др..
Усовершенствование зондов для сканирующей микроскопии вызвало к жизни поток публикаций о разработке и применении миниатюрных механических, химических, тепловых, оптических и других сенсоров для различных задач.
Кантилеверы, создававшиеся первоначально для нужд атомно-силовой микроскопии, демонстрируют высокую чувствительность не только к приложенным силам, но и к химическим реакциям на поверхности, магнитному полю, теплу, свету. Массивы кантилеверов из кремния, получаемые хорошо разработанными в полупроводниковой промышленности технологиями и содержащие несколько десятков (а иногда и сотен) отдельных датчиков, позволяют реализовать на одном чипе функции “электронного носа” или “электронного языка” для химического анализа газов и жидкостей, воздуха, продуктов питания. Так, разработан сенсор, представляющий собой кантилевер с “пришитой” химически биомолекулой на кончике острия. Эта молекула (например, антитело или энзим) может селективно вступать в химическое взаимодействие только с избранными веществами, которые могут находиться в многокомпонентном растворе. Захват определенной молекулы из раствора и связывание ее на кончике острия приводит к изменению резонансной частоты кантилевера на известную величину, что расценивается как доказательство присутствия детектируемых молекул в пробе. Легко понять, что чувствительность и избирательность таких сенсоров позволяет обнаруживать и регистрировать отдельные молекулы в растворе!
Отметилась зондовая техника и среди претендентов, обещающих повысить плотность записи информации. В частности, компания IBM финансирует проект “Millipede” (от лат. — тысяченожка), возглавляемый одним из нобелевских лауреатов 1986 г. Биннингом. Первоначально в качестве прототипа использовали модифицированный атомно-силовой микроскоп, который наносил на поверхность пластика отпечатки путем наноиндентирования. Однако для этого нужен весьма жесткий и массивный кантилевер, что делает процесс записи и считывания малопроизводительным. В проекте для увеличения производительности предлагается использовать одновременно несколько тысяч кантилеверов, собранных в матрицу (опытный образец имеет 1024 острия, размещенных на площади 3ґ3 мм2 ). Каждый кантилевер имеет длину 70 мкм, ширину 10 мкм и толщину 0.5 мкм. На его свободном конце сформировано острие высотой 1.7 мкм и радиусом в вершине менее 20 нм. Для уменьшения требуемых при наноиндентировании усилий, снижения массы кантилевера и увеличения стойкости острия последнее нагревают короткими импульсами тока до 300-400°С, что локально размягчает пластиковую пленку, на которую записывается информация. В процессе доводки — матрица 64ґ64 острия на площади около 7 мм2. Она имеет общую производительность несколько сотен Мбайт/с как при записи, так и при считывании.
Биннинг с оптимизмом заявляет, что за несколько лет группа надеется преодолеть терабитный барьер (имеется в виду ~Тбайт/дюйм2 ) и приблизиться к атомной плотности записи (~103 Тбайт/см2 ), что в принципе достижимо методами атомно-силовой микроскопии. Заметим, что помимо IBM и другие компании (“Hewlett-Packard”, “Hitachi”, “Philips”, “Nanochip”) ведут интенсивные разработки устройств со сверхвысокой плотностью записи. Так что сейчас трудно сказать, какие из этих продуктов ждет коммерческий успех. Но интуиции нобелевских лауреатов, видимо, стоит доверять, как это делают такие гиганты, как IBM.
Итак, зондовые методы стали универсальным средством исследования, атомарного дизайна, проведения химических реакций между двумя выбранными атомами (молекулами), записи и хранения информации с предельно возможным в природе разрешением ~10–10 м (для атомарных структур), а также последующего ее считывания.
Что впереди?
Дальнейшее развитие нанотехнологии предусматривает переход от отдельных элементов и их сборок к интегрированию сенсорной, логически-аналитической, двигательной и исполнительной функции в одном устройстве. Первый шаг в этом направлении — создание микро-нано-электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нанопроводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нанонасосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см2. Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).
Министерство обороны США, например, финансирует программу создания “Smart dust” — умной пыли, т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.
Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-“доктора”, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм, и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.
Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.
Литература
1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. М., 2002.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2003.
3. Drexler E.K., Peterson C.H., Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. N.Y., 1993.
4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.
5. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века // Природа. 2000. №11. С.23-30.
6. Валиев К.А., Кокин А.А. От кванта к квантовым компьютерам // Природа. 2002. №12. С.28-36.
7. Ковальчук М.В., Клечковская В.В., Фейгин Л.А. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт // Природа. 2003. №11. С.11-19.
8. Владимиров Ю.А. О пользе белковой кристаллографии // Природа. 2003. №11. С.26-34.
9. Головин Ю.И., Тюрин А.И. // Природа. 2003. №4. С.60-68.
10. Андриевский Р.А. // Перспективные материалы. 2001. №6. С.24-35.
11. Трефилов В.И., Щур Д.В., Тарасов Б.П. и др. Фуллерены — основа материалов будущего. Киев, 2001.
12. Осипьян Ю.А., Кведер В.В. // Материаловедение. 1997. Т.1. №1. С.3-9; №2. С.5-11.
13. Алферов Ж.И. // Физика и техника полупроводников. 1998. Т.32. №3. С.3-18.
14. Минкин В.И. // Рос. хим. журн. 2000. Т.44. №6. С.3-13.
15. Дедков Г.В. // УФН. 2000. Т.170. №6. С.585-618.
16. Golovin Yu.I., Tyurin A.I., Farber B.Y. // J. Mater. Sci. 2002. V.37. P.895-904.
17. Golovin Yu.I., Ivolgin V.I., Korenkov V.V. et al. // Phil. Mag. A. 2002. V.82. №10. P.2173-2177.
18. Vettiger P., Cross G., Despont M. et al. // IEEE Transactions on Nanotechnology. March 2002. V.1. №1. P.39-55.
19. Social Implications of Nanoscience and Nanotechnology / Eds M.C.Roco and W.S.Bainbridge. Dordrecht, 2001.
www.ronl.ru
Министерствообщего и профессионального образования РФ
Уральскийгосударственный технический университет
КафедраФизической и Коллоидной Химии
Реферат
Нанотехнология.Перспективы развития.
Студент: Ягодин С. И.
Группа: Х-277
Екатеринбург2003
Содержание.
1 Введение3 2 Туннельный Микроскоп7 3 Электронные элементы на основе нанотехнологий9 4 Наноботы11 5 Философия19 6 Заключение23
1 Введение
Для понятиянанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но поаналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от«микро» к «нано» — это качественный переход от манипуляциивеществом к манипуляции отдельными атомами.
Когда речь идето развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.Разработки поэтим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельныймикроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология былазначительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневнойжизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно безиспользования нанотехнических методов контроля.
На данныймомент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:
1. Медицина.Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутричеловеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения,включая генетические.
Срок реализации- первая половина XXI века.
2. Геронтология.Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярныхроботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшениятканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больныхлюдей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
Срокреализации: третья — четвертая четверти XXI века.
3. Промышленность.Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботамипредметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Срок реализации- начало XXI века.
4. Сельскоехозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных)аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будутвоспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме,однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены вселишние звенья. Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло,мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодныхусловий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительностиего хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
Срок реализации–вторая — четвертая четверть XXI века.
5. Биология.Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов.Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления»вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
Срокреализации: середина XXI века.
6. Экология.Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами,превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, засчет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходныенанотехнологические методы.
Срокреализации: середина XXI века.
7. Освоениекосмоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будетпредшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будетвыпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселениячеловеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты,соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космическиестанции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
8. Кибернетика.Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемныммикросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул.Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получатраспространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появитсябыстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которойбудет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение»человеческого интеллекта в компьютер.
Срокреализации: первая — вторая четверть XXI века.
9. Разумнаясреда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибутыокружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной длячеловека.
Срокреализации: после XXI века.
Основные этапыв развитии нанотехнологии:
1959 г. Лауреат Нобелевской премии РичардФейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами,человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующеготуннельного микроскопа — прибора, позволяющего осуществлять воздействие навещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа,позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействиес любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологическихметодов в промышленности.
Однако принятосчитать, что нанотехнология «началась» когда 70 лет назад Г. А. Гамоввпервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможностьпреодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергиячастицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием,позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденноерешение позволило понять большой круг явлений и было применено для описанияпроцессов, происходящих при вылете частицы из ядра — основы атомной науки итехники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставшихосновополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоеннескольких Нобелевских премий.
Развитиеэлектроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 летспустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки,удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев,руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ«Пульсар», предложил первые расчеты параметров и варианты использованияприборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичьрекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешнореализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основутехнологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядкананометров (1нанометр=10-9 м).
До сих порсоздание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, натехнике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельныхплоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различныхматериалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеютзначительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. Кэтим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии — донескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается роствысококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемыхобластей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируютдиффузионные процессы, «размывающие» планарные структуры. Более«холодные» технологии осаждения, типа напыления, из-заодновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста вразных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектовна их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.
Формированиеэлементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлятьметодами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления.Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызываетзначительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районеобласти фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойныхсхем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решениекоторой было найдено в 1981 году.
2 Туннельныймикроскоп.
В 1981 годукардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных — сточностью до отдельных атомов — низкоэнергетичных технологических процессов,явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделениякомпании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 годубыли удостоены Нобелевской премии.
Основойизобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемойповерхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглытуннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость токатуннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятуюнанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность ивысокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на стольмалом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящейсистемы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющейпьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор сточностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов,при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действиемнапряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя надисследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областейопределяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.
Однако кромеисследования поверхности, создание нового типа микроскопов открылопринципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Былиполучены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению взаданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.
Обычно, длятого чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом ипроводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт,что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной,меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологическихпроцессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольти даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярныхпроцессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения,а также стимулировать локальные химические реакции.
Нанотехнологическиепроцессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. Ввакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы наподложку и наоборот. Значительно большие технологические возможностиоткрываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средахпроводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумнымиустановками, расширить диапазон используемых материалов, повыситьпроизводительность технологических установок.
Напуск технологического газа или пароввещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию наповерхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельногомикроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается вадсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкойстимулирует прохождение нескольких процессов:
поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду; поляризации вещества под зондом; удаления вещества из-под зонда за счет нагрева; возникновения и поглощения плазмонных колебаний; межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества; локальных химических реакций.Данные процессыв ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильнозависит от типа применяемого вещества.
В жидких средахтакже осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакциисложнее, чем в предыдущем случае.
Синтезируяподложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава,можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис.
/>
Шириналинии букв — десятки атомов
В последние годы для работы сдиэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако онине позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, тоесть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическуюподложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов,то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершинойзонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется дляпрактических целей.
Поэтому главное направление развитиятехнологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, этосоздание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.
3 Электронныеэлементы на основе нанотехнологий.
Новые потенциальные технологическиевозможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов иэлектронных функциональных устройств, выполняющих соответствующиерадиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов снаноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронныетранзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффектыпоодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрамиданного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинствомтранзистора данного типа и функциональных приборов на его основе являетсяисключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам — наивысшиепо трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьшихразмеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатнойтемпературе. К принципиально другому типу транзисторов следует отнеститранзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов.Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричностьпараметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потомсходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона,приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствамтранзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие,достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам — наивысшие требования коднородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизациирассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. Ктретьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный наоснове нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряженияпроисходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток.Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумяпо энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простыетехнологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотногодиапазона в сотни гигагерц.
В 1993 г. было разработано новоесемейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Наэтой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такойструктуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц.
Одним из важнейших достоинствнанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможностьтрехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства уразрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковаямикроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализоватьочень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений.Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым«тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивныхинтегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратнореализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большоечисло связеймежду элементами.
4 Наноботы.
MEMS-технологиии мини-роботы Сандиа
/>Многиеэксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекциинобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году передАмериканским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризаторапозволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в еголекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронныекомпоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но еслипророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью оченьбыстро — уже в 1960-70-е годы, — то прогресс в электромеханическихмикросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты иправительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способыизготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработанатехнология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографиии инструментарий полупроводниковой промышленности.
Фактически,понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческоеприложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместноераспространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически вовсе современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитныхвоздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первыетакие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, такихкак головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компанияMotorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильнойпромышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения TexasInstruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годыудалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов,сенсоров давления и смещения — короче, множества самых разных по назначениюмеханических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом.Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздотруднее, чем полагали оптимисты.
Сейчас самойперспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, вконце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерствуэнергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросамикоммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компаниясфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах дляоптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменнаятехнология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMSTechnology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением итравлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический дляобеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размерымеханических элементов до 1 мкм.
Опыт,накопленный разработчиками Сандиа />вминиатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектныхмикроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модельавтономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объемоколо 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен изкоммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить вчетыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерныйкаркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчиктемпературы, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов.Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство ещеминиатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, послечего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач подуправлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основнойобластью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб имин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам ивысокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательныхзадач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишьна преодоление десятка метров.
Роботы «сухие»и «мокрые»
Нанотехнологии,особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях,условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокройнанотехнологией» в биологической традиции.
«Сухиенанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий — вродесканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы.Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», тоесть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий ихинститутов или щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограниченыплоскостью. Укладывание молекул друг на друга — следующая задача, которая будетрешена в ближайшие годы.
Например,исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет»общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродныхнанотрубок. С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровымикластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровыйполупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. Вближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобызахватывать отдельные крупные молекулы.
Быть может,«мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании имодификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями ксамосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь.Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярныемоторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям ужеимеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечныхнасосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют такжемикробиороботами.
Исследователямиз Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научитьсягенерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложныеструктуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники идругие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов.Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор,в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase).В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическимиэлементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобномикроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.
Как показываютпредварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечитьболее высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом,нежели системы />биологические.Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую ихфункциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихсяестественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.
Саморепликация.
Производствонанороботов всё ещё затруднено по двум причинам: проблема «толстых пальцев»-недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложностьпроектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, как ни странно, возможнорешить только при помощи самих нанотехнологий. Если для проектирования схемынужен мощный процессор, работающий на высокой частоте, то для массовой сборкинанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могутпредоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не подсилу любыми устройствами произвести количество нанороботов, соответствующеесовременной концепции их применения. Для обеспечения простейших задач,поставленных перед нанороботом, их нужны сотни, если не тысячи. На сегодняшнийдень разработка в этом направлении возможна лишь в теоретическом виде. Однакоуже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, азатем запрограммировать его. Также этот вопрос исследует философия. Дело в том,что при разговорах о репликации, самовоспроизведении роботов неизбежновозникают мысли о выходе их из-под контроля. Вплоть до того, чтонанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества поскользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот терминполучил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого SunMicrosystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли внас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, чтомикроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, вслучае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой ипожирающей все вокруг массы — «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзяназвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейшихтехнологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» — разрушительных микромашин — в качестве мощного оружия.
В ответ наподобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (РальфМеркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнологиядействительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимумустоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живыесистемы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать всложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строитьмолекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудованиясегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная досубмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали,подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. Ксожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простогофакта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство изнас, — это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматическиначинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будутподобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожина живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всегобудут столь же непохожими.
В качествеиллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему«экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесьразрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронногои молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиесяMEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука«взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталямимикронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталейсобирается роботизированная рука, способная манипулировать специальноразработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальнаясборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственнойроботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другиероботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точноизвестных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рукможет возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемыхсистемой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографическиизготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов длякоординации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию,управляющие сигналы или лишить микроробота деталей — и он будет действовать также, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный вглухой лес.
К сожалению,далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаютсяподобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа — Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаря работам в областисамосборных нанокомпозитных материалов. При его непосредственном участиидостигнуты весьма примечательные успехи в создании материалов, способных кспонтанной самоорганизации в сложные трехмерные конструкции наномасштаба.Главный же интерес исследований Бринкера, по его собственным словам, этонаучиться придавать материалам «жизнеподобные» свойства — то есть получатьтакие материалы, которые чувствуют окружающую среду и соответствующим образомреагируют, могут самоисцеляться и избегать угрожающих их существованиюобстоятельств. В двух словах, цель Бринкера — наноматериалы, занимающиепромежуточное положение между живым и неживым. Разумеется, робот из такихматериалов — это уже далеко не неуклюжий заводской манипулятор в лесной чаще.
Трезвомыслящиеученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна породить серьезные проблемы.Любая технология может быть использована для нанесения ущерба, а не только длявсеобщего блага. По масштабам будущего воздействия на человечествонанотехнологии наверняка не уступят индустриальной революции.
Вкалифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческаяорганизация «Предусмотрительный институт» (Foresight Institute) и девизом«Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава института — Эрик Дрекслер).Здесь был подготовлен набор правил «техники безопасности» для разработчиков иизготовителей молекулярных систем. Среди руководящих принципов, например,такие: искусственные системы-репликаторы не должны иметь способность квоспроизводству в естественной, неконтролируемой окружающей среде. Они должныбыть абсолютно зависимыми от источника искусственного питания или отискусственных компонентов, не встречающихся в природе. Они должны использоватькоды выявления ошибок и шифрование, предотвращающее непреднамеренные измененияв их конструкции.
Все эти правилавыкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных сценариях возможногоразвития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание развивающейся технологииэволюционирует, а значит, претерпевают изменения и рекомендации, отражаястепень осмысления учеными того, как обеспечивать безопасное развитиенанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный спектрнанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а правительства ииндустрия.
Современные разработки.
Существующиерешения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботыявляются достойными макроскопическими моделями.
ВМассачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается сериямикророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые изних оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа дляотображения и подталкивания атомов. Другие — щупами атомно-силового микроскопадля работы с непроводящими материалами. Третьи — микроманипуляторами дляперемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутносоздается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления,обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться,роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности,образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь смикророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую наверхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением иместонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает вдействие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы наконкретные молекулы или атомы.
Преимуществоподобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводитьобъект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируямикроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте — адвигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером. Надосказать, что индустрия, привыкшая к конвейерному производству, новую концепциювоспринимает с трудом.
Пьезокерамическиеножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь инаружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенногоэлектрического сигнала. Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способныноситься намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков всекунду), причем разным «аллюром» — либо семенить крошечными шагами по 2нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз. Пока что в МТИсосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно иинтегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовыхмикроскопов.
Некоторыеисследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными,добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэуправляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптическихмикроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов. Онисправляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба илизахват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чемNanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами,немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируюттакими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.
После того какуправляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретнойклетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения,находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит вдругое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно,могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя.Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквальносекунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраиватьсистему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборкивсего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операцийавтоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будутосуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведетсясовместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействиеим оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath &Weiss.
Средикрупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известнаясвоими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии ониобъясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Ужесегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера.Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическимимикропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшитьгеометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение,внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят примерс радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одномкристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всемистандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее. Благодаряинтегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать нетолько для внешней коммуникации, но и для внутренней — например, междуотдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будутсделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей.На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика иприемника.
5 Философия.
Развитие нанотехнологий ставит рядочень важных вопросов. В первую очередь философского характера.
Эдуард Теллер, один из создателейтермоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией,займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Нужно опасатьсятакого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология недолжна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощнымпотенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательнымконтролем, исключающем создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новыхтехнологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива созданияновых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезногобеспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для техиз нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».
Молекулярные нанотехнологии, которыемогут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциаломсозидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии,неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смыслепрорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеетгораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где онообычно работает лишь косвенно.
Остаётся опасность непредсказуемогоповедения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей ирассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практикаразвития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит ине собирается происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когдасистема осознает саму себя и у неё появятся собственные цели.
На современном этапе развития поведениекомпьютерных систем слишком жёстко ограничивается алгоритмическими программами.Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеровтолько сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, аорганов воздействия на окружающие предметы практически нет.
Развитие нанокомпьютеров неизбежнобудет связано с созданием нейросетей, допускающих случайные отклики на внешниевоздействия, и ростом взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростомбыстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения сознания.
Но отказ выполнять волю человека можетпроизойти не только из-за того, что наносистемы начнут проявлять свою волю,противостоящую воле человека, а из-за недостаточного понимания людьми последствийисполнения собственных желаний наносистемами. Человек не может предусмотретьвсех последствий деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности.Станислав Лем это образно описывает так: «По-видимому, когда в средеобитания появляются зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов вмашины, а от машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, егоунаследуют молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленыхмолекул, преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность ихинтеллекта настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинкепоместится умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетоввместе с их учеными советами,–тогда уже сам черт не поймет,кто кем управляет: люди шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не опресловутом бунте машин, не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когдав моде была футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но опроцессе совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности также, как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправноделают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов,начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в самом начале…И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат превосходство надлюдьми –не угрозами ине силой, но так, как ученый совет, состоящий из дважды профессоров,превосходит мальца в коротких штанишках. Ему не понять их коллективноймудрости, как бы он ни старался. И даже если он принц и может приказыватьсовету, а совет добросовестно исполняет его капризы, все равно результатыразойдутся с его ребяческими ожиданиями,–например,захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не по-сказочному, как он,несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете, но на чем-нибудь вродеаэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку даже наивысшая мудрость всилах осуществить только то, что возможно в реальном мире. И хотя мечты этогосопляка исполнятся, их исполнение каждый раз будет для него неожиданностью.Возможно, в конце концов, мудрецам удалось бы растолковать ему, почему они шлик цели не тем путем, который он им указал, ведь малыш подрастет и сможет у нихучиться; но среда обитания, которая умнее своих обитателей, не может разъяснитьим то, чего они не поймут, ведь они — скажем, наконец, прямо –слишком глупыдля этого».
Кроме самопроизвольного неподчинениясистем в силу их воли или глупости человека существует ещё много возможностейотказа наносистемы выполнить волю человека. Части этих отказов можно,теоретически избежать, другой части нельзя избежать в принципе.
Системы наномашин кто-то будетпроектировать. Разработка наносистем на начальном этапе требует огромныхзатрат труда. Естественно, люди, разработавшие наносистемы, могут предусмотретьв их программе подчинение лишь себе или покупателю, но отказ служить другимлюдям. Таким образом, мир может разделиться на две группы людей (фирм,компаний, государств). Одним наносистемы будут подчиняться, а другим не будут.
Лем о новом мире и создателяхнаносистем пишет: «Но если в этой перекроенной на новый лад гармонии что-торазладится, кто исправит ее? А так как кто-то должен ее к тому жезапроектировать и запустить в производство, это лицо или группа лиц будутсклонны самозванчески, явным или, что еще хуже, тайным образом взять себе рольГоспода Бога в этом всепредставлении».
Практически невозможно избежатьнеповиновения наносистемы, если желания нескольких человек взаимоисключают другдруга. В этом случае наносистема, исполняя приказ одного человека, не будетповиноваться другому. Но этими вопросами занимается уже теория систем.Нанороботы в этом плане ничем не будут отличаться от сегодняшних и будущихроботов, разве только нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем,несмотря на отсутствие аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены.
Развитие молекулярной нанотехнологиидаст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клетокорганизма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, какфункционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативныеизменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени.Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить»старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функциирегулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.
Но не нарушит ли человек гармонию мира,искусственным путём достигнув бессмертия? Кроме проблемы перенаселённостиЗемли, которую, в принципе, можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другиедоводы против бессмертного человека.
Во-первых, поколение людей несёт ссобой определённые моральные устои, мировоззренческие взгляды, и длительнаяжизнь одного поколения может привести к застою в развитии общества.
Во-вторых, с возрастом человекпроявляет всё меньше интереса к жизни, в нём растёт усталость, груз накопленныхзнаний и переживаний гнетёт его, так что смена поколений необходима дляподдержания активности всё время на высоком уровне.
В-третьих, опыт говорит нам, что любойразвивающийся процесс в природе имеет своё начало и свой конец. Бесконечнымможет быть лишь стационарный или циклический процесс. Так как неотъемлемыматрибутом жизни является развитие, то любой жизненный процесс рано или позднодолжен заканчиваться смертью.
Но отрицание возможности бессмертия неозначает невозможность долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений надлительность жизни человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скореевсего, можно стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшееувеличение длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроениякаждого человека лично.
«Истинному» – временномудолголетию человека можно противопоставить альтернативный вариант «внутреннего»долголетия, которое может дать молекулярная нанотехнология. В этом случае,внедрённые в мозг наносистемы так изменяют процессы мышления, что ходвнутреннего времени человека многократно ускоряется. За прежний промежутоквремени человек субъективно будет проживать во много раз больше. Но такомумозгу будет казаться, что весь мир впал в дрёму, так как для него всефизические перемещения будут выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе.Вряд ли такое долголетие придётся по вкусу многим людям.
Переделка человеческого организма сцелью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощьюмолекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем(хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Нодаже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этотшанс предоставляет крионика — замораживание организма до сверхнизких температурпосле клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточнобогатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечитьчеловека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделившихего участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что телобудет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни тогоне другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного»человека рассматривался во множестве различных произведений, отнаучно-фантастических до философских.
Заключение.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающеенаправление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности еёпоражают воображение, мощь – вселяет страх.Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе междусозиданием и разрушением. С точки зрения автора, обязательно появятся военныеи, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач,поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным.Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи,вопросы и ответы.
Сегоднякажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовыеэксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее жетехнологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники.Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология –привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимисяпрактически бесполезными на фоне нанотехнологии.
Мы используемдостижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложнопомыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим.Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающейсреды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Нанороботы вбудущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространствобудет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, скоторой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаряогромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволитпередавать информацию с невообразимой сегодня скоростью. К тому временинакопится достаточно «контента» для распространения, хотя кто знает, может бытьпо этим сетям будет передаваться и материя, ведь разработки в областителепортации также связаны с небезызвестным имненем IBM.
Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегоднянанотехнология, можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическимразработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома,набитые умной техникой, включая аресловутый холодильник с доступом в интернет.Микробототехникой занимается множество лабораторий по всему миро, например SANDIA и MEMX. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие наборту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры исистемы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Онипусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики погабаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можемоценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Списоклитературы.
1. DrexlerK. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology»; Anchor Books; 1986; www.foresight.org/EOC/index.html
2. DrexlerK. Eric; «Nanosystems»; WileyInterscience; 1992; nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html
3. DrexlerK. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution»; 1991; www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html
4. ПётрЛускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера» www.computerra.ru/offline/1997/218/828/
5. МихаилСоловьёв; «Нанотехнология — ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютера» www.computerra.ru/offline/1997/218/829/
6. Бёрд Киви;«Микроботы: технология будущего сегодня»; Журнал «Компьютера» www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/
7. SandiaNational Laboratories Official Site www.sandia.gov
8. MEMXOfficial Site www.memx.com
9. S.Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.
Copyleft hpf
/>
167718618
www.ronl.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Донбасский государственный технический университет
Кафедра АЭМС
На тему:
«Нанотехнологии и нанороботы »
Алчевск 2008
Содержание
Введение. 3
1. История развития нанотехнологии в датах. 4
2. Нанотехнологии. 9
3. Нанороботы… 12
4. Перспективы развития нанороботов. 15
Заключение. 22
Ссылки. 23
Введение
Нанотехнологии являются очень перспективными, но пока не развитыми в полной мере. Нанотехноло́гия – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Нанороботы, или нанобо́ты – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.
В данной научно-исследовательской работе рассматривается история возникновения нанотехнологии, общий принцип действия, а также пути развития в будущем.
1. История развития нанотехнологии в датах
Один нанометр (от греческого «нано» – карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.
В 1932 г.голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).
Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме «Цейс», но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.
В 1939 г. компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции «Как много места там, внизу» («There’s plenty of room at the bottom»), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).
1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов
1971 г.Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.
Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.
1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин «нанотехнологии» (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.
1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.
СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах.
Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи – острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.
1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу «Машины созидания» («Engines of Creation»), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.
Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью – в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно.
Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.
1987–1988 гг. В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.
Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго – атомы быстро разбежались с поверхности.
Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали. Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными – их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубокразличные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор – робот размером с человека, состыкованный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности.
Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.
Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.
1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.
1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.
Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.
В Японии запущена программа «Astroboy» по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.
1999 г. Американские ученые – профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) – разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.
Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.
2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
На NNI отпущено 770 млн. долл. В бюджете NNI 2004 г. заложена сумма 849 млн. долл.
2. Нанотехнологии
Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
– изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов
– создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу
– непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:
– наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм).
– нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм).
– наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
3. Нанороботы
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты.
Немало нанотехнологических устройств уже создано и хотя они пока являются экспериментальными разработками, практические перспективы очевидны. Разработан наноэлектродвигатель, имеющий обмотку из одной длиной молекулы, способной без потерь передавать ток. При подаче напряжения начинал вращаться ротор, состоящий из нескольких молекул. Существует также устройство линейной транспортировки, способное перемещать молекулы на заданное расстояние. Разрабатываются также молекулярные биосенсоры, антенны, манипуляторы.
Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей – данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
Логично задать вопрос – когда же нанороботы придут в наш мир, станут такой же обыденностью, как персональные компьютеры и интернет. По прогнозам ученых, век нанороботов уже не за горами.
Существующие прототипы двигателя, процессора, захвата будут собраны в единое устройство, и эпоха нанороботов наступит до 2015 года. Все названные перспективы могут осуществиться, наномашины будут в состоянии воссоздавать любые предметы из атомов, смогут омолаживать человека, станут искусственными производителями пищи, заполнят околоземное пространство и сделают пригодными для человека планеты и их луны.
Существуют, однако, и опасения по поводу наномеханики. Так, упомянутая выше книга «Машины Созидания» повествует о сбое в программе роботов, в силу чего они превращают всю землю в месиво из самих себя. Читатель также может вспомнить «Непобедимый» Станислава Лемма, в котором крошечные роботы, наследие цивилизации Лиры, будучи примитивными механизмами, объединяются миллионами, образуя мыслящие конструкции, готовые уничтожить человека с бездушием механизма чтобы затем снова погрузиться в тысячелетний стазис.
Данные взгляды не являются прерогативой фантастов, их поддерживает ряд ученых, которых в прессе иногда называют наноапокалиптиками. Профессор Евгений Абрамян в своей статье «Угрозы новых технологий» рисует ситуацию, при которой роботы, предназначенные для разборки на атомы отходов, начнут разбирать в силу сбоя и все остальное. При этом такие машины будут самореплицироваться. Кроме того, как отмечает ученый, эти микромашины могут стать основой для новых, еще более чудовищных, чем современные, средств ведения войны.
Так или иначе, шаг к созданию нанороботов уже сделан и мы в очередной раз сталкиваемся с вопросом постановки формулировки: меняют ли наши нововведения нашу же жизнь, или мы сами её меняем. Сможем ли мы создать на основе наномеханики мир, свободный от голода, нужды и при этом имеющий потенциал к развитию, или дорога из желтого нанокирпича приведет нас к хаосу новых войн будет зависеть от нас самих, но ясно одно: мир меняется и мы стремительно меняемся вместе с ним.
4. Перспективы развития нанороботов
В ходе истории люди всегда только тем и занимались, что пытались упорядочивать атомы с целью получения структур с заданными свойствами. Все развитие техники, по сути, сводится к постоянному уменьшению частиц вещества, с которыми можно работать. Первобытные люди обтесывали камни, откалывая кусочки, содержащие бесконечное число атомов. Позже появились более тонкие инструменты, позволявшие оперировать значительно меньшим количеством атомов, но счет все равно шел на квадриллионы. В двадцатом веке освоили технологии создания тонких пленок. Напыляемые слои состояли из нескольких молекул.
Идеальный вариант – манипулирование отдельными атомами. Расположив их определенным образом, можно было бы создавать структуры с любыми заданными свойствами. На сегодняшний день такая задача не относится к области фантастики. Уже примерно двадцать лет, как химики научились собирать структуры поатомно. Первоначально такая операция представлялась проблематичной, но, понимая все значение новой области науки, ученые нашли различные методы ее выполнения. Это нанотехнологии – принципиально новые технологии, по сути, преддверие очередной интеллектуальной революции. Элементарной структурной единицей, с которой они работают, являются отдельные атомы, имеющие размеры порядка десятых долей нанометра, – отсюда и их название.
Но как можно оперировать отдельными атомами? Ответом на данный вопрос являемся мы сами. Ведь внутри каждого из нас – большое количество разнообразных белков, ферментов и гормонов, а занимаются они именно тем, что выборочно разбирают или собирают те или иные молекулы. Отличие от нанотехнологий, конечно, есть: перечисленные химические соединения оперируют группами атомов, и для работы с отдельными атомами не приспособлены.
Манипулирование атомами стало возможным после появления так называемого сканирующего электронного микроскопа с туннельным эффектом. Он мог перемещать отдельные атомы с помощью специальных электромагнитных полей. Принципиальная дорога в мир нанотехнологий оказалась открытой, и ученые не преминули ею воспользоваться. Укладывая атомы углерода в определенной последовательности, они одержали в восьмидесятых годах первую победу: собрали из них две шестеренки, сидящие на валах и свободно на них вращающиеся. Эти шестеренки имели размер порядка нескольких нанометров. Как только выяснилось, что таким образом можно построить работающий механизм, началось бурное развитие нанотехнологий. И уже через несколько лет удалось построить первый наноэлектродвигатель. В нем использовалась способность некоторых длинных органических молекул передавать электрический ток практически без потерь. Мотор работал: когда на «обмотку», представляющую собой одну «длинную» молекулу, подавали напряжение, ротор, состоящий всего из нескольких молекул, начинал вращаться. Путь к наноманипулятору был открыт. С его созданием люди перестанут нуждаться в громоздких электронных микроскопах – переставлять атомы можно будет с помощью самого манипулятора. Что вплотную приблизит ученых к конечной цели.
Какова же эта цель? Судя по затратам на исследования, их результаты должны быть поистине грандиозными: некая волшебная палочка, решающая если не все, то по крайней мере очень многие проблемы, стоящие перед человечеством. Поиски призваны привести к появлению универсального инструмента – наноробота, способного манипулировать отдельными атомами, просто «захватывая» их и расставляя в нужных местах. Таким образом, можно будет создавать структуры любой сложности с требуемыми свойствами. Нужно только писать соответствующие программы.
Нанотехнологии открывают огромные перспективы. Они позволят создавать сверхчистые материалы, которые нельзя получить другими способами. Если кому-либо для выполнения уникального эксперимента потребуется алмаз, превышающий по величине знаменитый Кохинор, создание его не проблема. Да и не только для расстановки атомов пригодятся нанороботы. Они и сами являются сверхточным инструментом. С их помощью можно конструировать новые нанороботы, существенно удешевляя производство. А недорогим нанороботам уже под силу складывать из атомов и уникальные изделия, и предметы повседневного пользования.
После создания развитой инфраструктуры нанороботов необходимость в огромных заводах отпадет. Представьте себе устройство величиной с холодильник, снабженное компьютером. Внутри будут находиться емкость с различными химическими элементами и колония нанороботов. Допустим, вы захотели почистить зубы. Отдаете команду компьютеру – и тот активирует программу сборки зубной щетки. Нанороботы начинают ловить атомы в растворе и расставлять их по местам. Через некоторое время щетка готова, причем, если пожелаете, уже с зубной пастой. После гигиенической процедуры кладете ее обратно в емкость, где она разлагается на исходные атомы. Таким образом, стоимость изделия значительно уменьшается, поскольку нужно платить лишь за электричество и сам прибор. Кроме того, вещи не будут накапливаться, загромождая квартиру.
Не менее грандиозные перспективы открываются и перед медициной – человечество получит лекарства от всех существующих болезней, и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического. Нанороботы смогут проникать в клетки организма и исправлять все повреждения на молекулярном уровне – т.е. зубная щетка не понадобится вовсе. И наконец, прекратится дальнейшее загрязнение окружающей среды, ведь новая технология, по сути, безотходна.
Однако чтобы достичь всего этого, нужно ответить на множество вопросов. Так, например, никто пока не знает, какие размеры должны иметь механические части роботов и как сделать так, чтобы они отвечали определенным требованиям.
Данную проблему можно решить экспериментально. Предположим, нам нужно знать, какую толщину должна иметь «рука» наноробота. Мы могли бы просто создать опытный образец и посмотреть, сломается она или нет. Если сломается, то сделать «руку» потолще, и т.д. Но у этого метода есть серьезный недостаток. Сейчас нанообъекты приходится создавать макрометодами, что очень дорого, трудоемко и долго. Чтобы перебрать много вариантов и выбрать наилучший, возможно, не хватит и жизни. Поэтому надо искать другие пути.
Итак, нам нужно знать характеристики манипулятора, по сути представляющего собой одну гигантскую молекулу. Свойства любой молекулы полностью определяются прочностью химических связей между атомами, из которых она состоит. А как известно, химическая связь – не что иное, как взаимодействие электронов и ядер атомов. Чтобы определить эти связи, мы должны знать вероятность пребывания электронов в конкретном месте в определенное время. Если вероятность того, что электрон находится между ядрами атомов велика, то связь крепка. Чем ниже вероятность этого, тем слабее связь.
Проблема была решена в начале XX столетия. Австрийский исследователь Шредингер создал уравнение, позволяющее узнать все свойства химического соединения, даже не получив его на практике. В уравнении учтены все силы, которые воздействуют на электрон. Ученый решил его для простейшего случая – атома водорода – и получил точно такие же значения, как и на практике. Проблема описания связей исчезла, но возникла новая – как решить само уравнение Шредингера. Подумаешь, уравнение – покажется кому-то. Однако не стоит недооценивать проблему. Ведь получить результат типа «икс равно» удается не так уж часто. И чем точнее уравнение описывает реальный мир, тем меньше вероятность, что оно решаемо на бумаге. Что же делать? Надо либо упрощать уравнение, либо вычислять его приближенными методами, а чаще всего приходится делать и то и другое. Уравнение Шредингера хорошо упрощается для кристаллов, в которых атомы размещены строго в узлах решетки. А границы кристалла, где регулярная структура обрывается, расположены относительно далеко, и их влиянием можно попросту пренебречь. Именно такой подход позволил узнать свойства полупроводников, что в конечном итоге привело к созданию современных интегральных схем. Для манипуляторов нанороботов все обстоит иначе. Атомов столь мало, что все они являются граничными, и решать уравнение в упрощенном виде бессмысленно. Приходится искать точное решение. С другой стороны, атомов столь много, что найти точное решение невероятно сложно. Для самого простого случая – молекулы водорода, состоящей из двух атомов, решение уравнения Шредингера не составляет проблемы. Но чем сложнее молекула, тем дольше его считать.
Среди самых распространенных наноустройств на сегодняшний день – нанотрубки. Они играют различные роли: от молекулярных фильтров, действующих как обычные сита, и до трехмерных шестеренок, без которых трудно представить себе какой-либо механизм. Нанотрубки на рисунке почти целиком состоят из углерода, а точнее из замкнутых графитовых слоев. Обратите внимание на выступы по бокам трубок: именно они выполняют функции зубьев, превращающих нанотрубки в шестерни.
Еще лет двадцать назад понятие сложности алгоритма было известно абсолютно всем. Когда объем вычислений линейно зависит от объема входных данных, говорят о линейной сложности. Это идеал, мечта программиста. Если зависимость степенная, дело обстоит хуже, но терпимо. Но если количество данных является показателем степени – это приговор алгоритму. Экспоненциальная сложность – почти то же, что и отсутствие решения задачи.
Шли годы, перед программистами возникли новые проблемы, и основное внимание было уделено им. Разумеется, постоянный рост производительности компьютеров и многократное уменьшение их стоимости позволили смириться с наличием неэффективных алгоритмов. Однако такие «тепличные» условия не вечны. Стоит появиться задаче, требующей большого объема вычислений, и проблемы сложности снова становятся предельно актуальными.
Одной из таких задач стало определение свойств, которыми должны обладать наноустройства. Согласно закону Мерфи, если неприятность может произойти, она обязательно произойдет. В полном соответствии с этой сентенцией алгоритм решения уравнения Шредингера имеет экспоненциальную сложность. Свойства молекулы водорода вычисляются за доли секунды. Но на расчет прочностей связей в воде уходит несколько минут, а в метане – уже около часа. С усложнением молекулы дела идут все хуже. Ничего не поделаешь, при увеличении числа связей на единицу требуется в тысячи раз больше ресурсов. Одним словом, определить свойства молекулы с несколькими десятками связей уже малореально.
Ученые прибегли к многочисленным упрощениям, вплоть до того, что молекулу представляли в виде совокупности шариков-атомов, соединенных между собой пружинками. Если исходить из сказанного, то все просто, и даже сверхгигантские молекулы «считаются» быстро. Но вот результат таких расчетов отличается от практического на порядки. Атомы не шарики, что еще Бор показал. Следовательно, остается постоянно искать компромисс между сложностью молекулы и точностью расчетов. А компромисс этот так близок к нулю, что рано думать о создании реальных манипуляторов.
Поэтому нужны обходные пути. Где они, никто не может предсказать. Но опыт решения, на первый взгляд, безнадежных задач уже есть. К примеру, классическая задача коммивояжера также имеет экспоненциальную сложность. Однако, создав новый тип самоорганизующейся системы, Хопфилд смог реализовать алгоритм ее решения с полиномиальной сложностью. Впрочем, за экономию ресурсов пришлось платить. Лишь половина решений является оптимальной, поэтому, используя систему Хопфилда, никогда нельзя сказать наверняка, что задача решена. Но, как известно, стопроцентную гарантию дает только страховой полис, а иметь 99%-ю уверенность в решаемости задачи, которая ранее не считалась таковой, – совсем неплохо.
Для наноустройств системы, подобной системе Хопфилда, пока не существует, но будем надеяться, что это «пока» не затянется слишком надолго.
Заключение
В ходе выполнения данной НИРС мною были проработано множество статей, посвященных вопросам нанотехнологии. Также была прочитана повесть Станислава Лемма «Непобедимый» и просмотрены видеоролики, освещающие работу нанороботов в различных сферах деятельности. После проделанной работы я пришел к следующим выводам:
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм.
Ссылки
1. www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/index.html
2. nanorobots.ru
3. cooler-online.com
4. membrana.ru
5. nanonewsnet.ru
6. ibtechno.com
7. r0b.biz
8. nanoenot.pisem.net
9. nanodigest.ru
www.ronl.ru
