Страница 5 из 17
Работать этот агрегат может в двух режимах. Если с помощью специальной схемы поддерживать ток между иглой и подложкой постоянным, то при сканировании (многократном проведении иглы над поверхностью) она будет то опускаться, то приподниматься, в зависимости от рельефа, как патефонная игла копирует профиль поверхности.
Поскольку любой механический привод весьма груб, перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1В таким игла смещается на величину порядка 2–3 нанометров.
Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер изучаемой поверхности. Воочию ее можно увидеть на экране персонального компьютера.
1. Нанороботы внутри кровеносных сосудов ведут ремонт организма.
2. Эти шестеренки, едва видимые на ладони невооруженным глазом, — детали первых наномеханизмов.
Изобретение такого микроскопа стало этапной вехой в создании практической нанотехнологии. Ведь, кроме «микроскопии на ощупь», с помощью аналогичной установки можно формировать саму поверхность. Хорошо известно, что электрическое поле влияет на характер диффузии — проникновения атомов со стороны в поверхностные слои вещества.
Если игла подведена к поверхности чересчур близко даже по меркам нанотехнологии, то в локальном поле появляются силы, достаточные для того, чтобы стягивать к игле атомы, подобно тому, как к наэлектризованной стеклянной палочке притягиваются бумажки и соринки. Увеличив поле, можно даже оторвать от поверхности одиночный атом, перенести его в другое место, а затем внедрить его там, сменив полярность напряжения на игле так, чтобы атом отталкивался от нее.
Именно таким образом, например, в 1990 году специалисты фирмы IBM «нарисовали» фирменный знак своего предприятия, использовав всего 35 атомов ксенона. А первый в мире робот, созданный компанией «Ксерокс» в начале 90-х годов, вылавливал отдельные атомы, а затем использовал их для художественного конструирования. Так маленькие дети используют элементы конструктора для своих поделок.
Первые шаги в развитии нанотехнологии были сделаны. Что дальше?
Большинство предметов, созданных человеком, как известно, насчитывают в своей структуре триллионы триллионов атомов. И для того чтобы получить из какого-то сырья полезную вещь, надо эти атомы упорядочить.
Конечно, от изготовления первых кремневых рубил до создания компьютеров на кремниевых микрочипах — дистанция огромного размера. Но суть методики всегда одна — обрабатывая детали, мы отсекаем лишнее, пытаемся навести какой-то порядок в кристаллической структуре. Современные технологи уже научились обращаться с объектами микрометровых размеров. Свидетельством тому те же микрочипы, в которых работают группы в тысячи атомов или даже в сотни.
Еще один шаг вниз — в наномир — позволит производить вещи из отдельных атомов, делать машины, сравнимые по размеру с крупными молекулами.
Да, пока первые опыты постижения наномира опять-таки похожи скорее на детские забавы. Как уже упоминалось, с помощью туннельного микроскопа исследователи выкладывают буквы высотой в 6–8 атомов, образующие название корпорации. Или с помощью приложенного электроимпульса открывают и закрывают коробочку длиной в несколько нанометров. Или заставляют крутиться молекулу-пропеллер…
Все это не более чем «проба пера». Хотя современная технология позволяет манипулировать отдельными атомами, но выглядят такие операции довольно неуклюже: для транспортировки одного-единственного атома служит огромный по сравнению с ним прибор. Это как если бы многотонный самосвал вез одну горошину.
Исследователи понимают недостатки нынешней технологии и мечтают научиться создавать настоящих нанороботов, которые бы работали с атомами, сами будучи размером с нанометр.
Дело дошло до того, что Институт Форсайта пообещал премию в четверть миллиона долларов тому, кто построит «руку», способную манипулировать с веществом на молекулярном уровне. И ныне уже есть подробный проект такого устройства.
У позиционирующего устройства будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своей пневмосистемой, приводимой в действие давлением инертного газа, а цилиндрами послужат углеродные нанотрубки. Все в общем-то довольно просто, даже примитивно. Однако пока такая «рука» не создана. Ведь осуществить такой «примитив» куда сложнее, чем, скажем, подковать пресловутую лесковскую блоху.
Тем не менее, исследователи надеются, что первые «наноруки» вот-вот появятся.
Так выглядит сегодня главный блок атомного силового микроскопа.
Первой областью, в которой они начнут работать, наверное, станет микро-, точнее, наноэлектроника. Дело в том, что у микросхем, изготовляемых традиционным способом, есть два фундаментальных недостатка. Во-первых, традиционная технология, как уже говорилось, не может оперировать с элементами схем меньше сотен атомов в размере. И во-вторых, она не позволяет создавать объемные схемы, что повысило бы вместимость чипов в десятки раз и во столько же уменьшило их размеры. А это, в свою очередь, открыло бы возможности создания нейронных схем, подобных тем, что работают в человеческом мозге.
Первые шаги в этом направлении уже сделаны! В 1998 году датские ученые продемонстрировали атомный триггер, состоящий из… одного атома кремния и двух атомов водорода.
Можно сказать, что современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать бит информации с помощью одного электрона.
Однако настоящая революция в нанотехнологии произойдет, лишь когда десятки, сотни «нанорук» под управлением нанокомпьютеров будут собраны в бригады, появятся первые нанозаводы, способные, следуя заданным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины.
Такие устройства некоторые специалисты называют «ассемблерами», или сборщиками. Ну а бригады, состоящие из них, — соответственно «ассамблеями» или «ансамблями».
Полагают, что лет через 10–15 такие ансамбли смогут переставлять с места на место примерно миллион атомов в секунду. За тысячу секунд, или немногим больше чем за 15 минут, такой ассемблер сможет скопировать самого себя. Это уже сопоставимо с тем временем, за которое воспроизводит сама себя обыкновенная бактерия.
Отсюда вытекают уже грандиозные возможности — тонна ассамблеров сможет быстро построить тонну еще чего-нибудь. Причем конечный продукт будет иметь все свои триллионы триллионов атомов в нужных местах без всяких стружек и прочих отходов.
А это фактически приведет к тому, что станут совершенно ненужными все современные производства, начиная от сталеплавильных комбинатов и машиностроительных заводов и кончая агрофермами и пищевыми комбинатами. Зачем что-то растить на огороде, когда готовый продукт можно сразу получить в чане биореактора?..
В свое время (см. «ЮТ» № 10 за 1988 г.) мы писали о том, что современная технология позволяет ракеты не строить, а… ткать. Сегодня мы можем помечтать о том времени, когда ракетные двигатели для тех ракет будут выращивать.