IT История

Нанотехнологии не смогут сделать нас бесконечно богатыми.
А нанороботы не перевернут мир и не уничтожат человечество .
Стенли Уильямс, директор центра HP Quantum Science Research

Перемены в науке и технике редко напоминают шквал, о котором сразу все узнают. Прорыву предшествует медленное накопление промежуточных результатов, но после достижения определенного уровня технологии проникают сквозь стены секретных лабораторий в серийное производство, а значит, и в быт рядовых граждан. И вот тогда происходит настоящая революция. Цифровая микроэлектроника довольно быстро преобразила не только всю вычислительную технику, но и изменила практически весь мир. Посмотрим, сможет ли совершить подобную революцию в ближайшем будущем зародившаяся в конце XX века наука - наноэлектроника. Следует сказать, что уже с момента своего зарождения наноэлектронику преследовало не только множество различных мифов, легенд и слухов, но и огромное количество ожиданий и надежд, возлагаемых на нее как отдельными людьми, так и всем человечеством. Ожиданий не всегда оправданных и подкрепленных трезвым математическим расчетом, но всегда радужных и впечатляющих. Подобная ситуация продолжается и до сих пор: открывающиеся с появлением наноэлектроники возможности будоражат мозг не только прагматичных и серьезных ученых, но и людей, склонных фантазировать и представлять мир таким, каким он может оказаться, если все оптимистические прогнозы сбудутся. А возможности эти поистине кажутся безграничными, именно поэтому столь сложно сейчас отделить реальные перспективы развития этой области от чересчур иллюзорных фантазий и гипотез. Но вспомним, ведь и книги Жюля Верна казались многим современникам вздором или, по крайней мере, наивными измышлениями, которые не имеют совершенно никакого отношения к реальности, однако многое из того, что описывал этот великий провидец, сбылось и свершилось... Такая же судьба, на наш взгляд, ждет и нанотехнологию - все это будет реализовано человечеством, все будет служить во благо и на пользу , может, не так скоро и не столь дешево, как обещают сейчас, но обязательно будут! Скажем даже больше - многое из того, что писалось о нанотехнологии лет десять-пятнадцать назад, уже не утопия, а повседневная работа многих ученых физиков. Но обо всем по порядку.

Что такое нанотехнология?

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающей дефиниции, даже большинство авторитетных научных работников не сходятся в едином мнении, формулируя определение этой науки. Это естественно, так как нанотехнология находится на стыке физики, химии, биологии и информатики, и каждый из представителей этих фундаментальных наук склонен выделять в ней, в первую очередь, свою область деятельности. Но, проводя аналогии с существующими ныне микротехнологиями, можно сказать, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. А это ничтожно малые величины, всего лишь в 2-4 раза больше размеров среднестатистического одиночного атома. Поэтому переход от микро к нано - это уже не количественный, а качественный переход - скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами различных химических элементов.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, чаще всего имеются в виду несколько направлений: изготовление сверхминиатюрных электронных схем (в том числе и объемных), с активными элементами, представляющими собой всего лишь несколько атомов или молекул; использование наноэлементов (в первую очередь квантовых точек) в биологии и медицине, например, для диагностики различных заболеваний или для анализа структуры молекул ДНК; мехатроника, то есть производство и изготовление наномашин или нанодвигателей - механизмов, размеры которых не превышают размеры биологических клеток, а в идеале даже намного меньших; а также атомная сборка - непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего, что может существовать в природе.

Исследования во всех перечисленных направлениях ведутся очень активно, так, Федеральное правительство США, начавшее финансировать программу National Nanotechnology Initiative еще в 1996 году, выделило на нее в течение прошлого 2002 года почти полмиллиарда (!!!) долларов (а это на 35% больше, чем было выделено на эти же цели в 2001 году). Сумма денег, выплачиваемая в 2003 году по научным грантам, как государственными, так и коммерческими организациями и фондами, за исследования в области нанобиологии и нанотехнологий, кажется, бьет все рекорды. Так, только Подкомитет по науке, технологиям и космическим исследованиям (Science, Technology and Space Subcommittee) при Сенате США предполагает финансирование государственных разработок в этих областях в размере 446 млн. долларов в 2003 финансовом году и 547 - в 2004 году. Заметим, что в эту сумму не входят деньги, выделяемые по линии министерства обороны США. Все эти средства будут распределены между различными отраслями экономики Соединенных Штатов. На них будут проводиться исследования в Национальном институте стандартов и технологий, Национальном научном обществе, NASA, в системе общенациональных институтов здравоохранения, министерстве энергетики, Агентстве по защите окружающей среды и даже в министерстве юстиции США. А биофизика уже несколько десятилетий традиционно занимает почетное место в первой тройке наиболее финансируемых областей фундаментальной науки.

Достойные успехи в реализации перечисленных выше направлений нанотехнологий уже имеются.

На основе квантовых точек уже давно изготавливают лазеры с рекордно низким значением порогового тока, а значит, и высоким коэффициентом полезного действия. Особенно приятно, что далеко не последнюю роль в разработке лазерных структур на квантовых точках и гетероструктурах играют ученые из России, одним из них является Жорес Иванович Алферов, за свои труды получивший три года назад Нобелевскую премию. Электронные устройства на основе гетероструктур уже сейчас широко используются во многих областях человеческой деятельности. Едва ли можно вообразить нашу жизнь без телекоммуникационных систем, основанных на лазерах с двойной гетероструктурой, без малошумящих транзисторов с высокой подвижностью электронов, применяющихся в высокочастотных устройствах, в том числе в системах спутникового телевидения. Лазер с двойной гетероструктурой присутствует теперь фактически в каждом доме как ключевой элемент системы считывания информации CD-приводов. Солнечные элементы с гетероструктурами широко используются и для космических, и для наземных программ. Последние 15 лет своей жизни станция Мир провела, питаясь энергией от исправно работающих солнечных элементов на основе полупроводниковых гетероструктур.

Большие успехи в создании микроминиатюрных роботов были достигнуты в колыбели новейших электронных разработок - Японии, а именно, в Университете Тохуко (Tohuku University). Японскому исследователю Казуши Ишиямо (Kazushi Ishiyamа) удалось разработать радиоуправляемое устройство размером меньше, чем размер рисового зернышка.

Получившийся в результате длительных разработок робот имеет цилиндрические магниты длиной 8 мм и диаметром менее 1 мм. Работой робота можно управлять с помощью электромагнитного поля, под воздействием которого магниты заставят робота вкручиваться туда, куда ему прикажет оператор. Ишияма разработал два прототипа - для жидкой и для плотной среды. Результаты первых испытаний обнадеживают: робот для жидкости успешно передвигался в емкости, заполненной силиконом, а плотный робот оказался в состоянии проходить сквозь двухсантиметровый бифштекс. Одно из устройств Ишияма оснастил металлическим шипом: предполагается, что, нагреваясь, шип будет в состоянии разрушать отдельные раковые клетки. Примечательно, что при желании вводить в вены такую машинку можно будет с помощью обычной медицинской иглы. По словам Ишиямы, его разработка в перспективе может оказаться намного эффективнее используемых сейчас катетеров. А если удастся сконструировать еще более миниатюрные устройства, они смогут проникать и в самые мелкие, а потому пока недоступные сосуды, находящиеся, например, в головном мозге.

Гораздо более миниатюрных роботов можно будет получить, используя вместо достаточно больших и тяжелых магнитов другие способы перемещения, то есть разработав микронные движители. Помощь в этом может оказать открытие, сделанное группой исследователей Надриана Симана (Nadrian C. Seeman). 13 января 1999 года CNN сообщила, что им удалось получить молекулярный двигатель на основе молекул ДНК. Размер сгибающегося по команде механизма шарнирного типа составляет четыре десятитысячных толщины человеческого волоса, что гораздо меньше, чем размер робота Ишиямы. Устройство изготовлено при помощи соединения двух двойных спиралей ДНК посредством ДНК-моста. При подаче определенного химического сигнала часть этой структуры изгибается.

От передовых исследований биологов и химиков не отстают и физики-электронщики. Так, в этом же году американские ученые Счнейдман и Рид на сходных принципах, используя асимметричные молекулы с бензольными кольцами, получили молекулярный транзистор.

Еще раньше, в 1993 году, японскими учеными было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка такого прибора состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка одного терагерца! На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, а также ячейка динамической памяти.

Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего десятилетия начнется серийное производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки, а может даже и сотни гигабайт.

Департамент Исследования Материалов корпорации Интел (Intel Corporation Components Research) уже сейчас сравнивает размеры транзистора с биологическими клетками и указывает на то, что без исследований в области наноэлектроники процесс увеличения степени интеграции и уменьшения размера транзистора, описываемый сейчас законом Мура, после 2010-2015 года будет невозможен.

Все это происходит из-за того, что существующие способы осаждения примесей в полупроводниках (эпитаксия) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему пределу не только в смысле размеров, но и топологически. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры - когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения на схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии.

Взгляд Интел на место нанотехнологий в современном процессе производства микропроцессоров полностью отражен на диаграмме.

Фабрика нанотехнологий

На сегодняшний день, помимо успехов в усовершенствовании классических технологий, нанонауке можно приписать изобретение нескольких принципиально новых микроэлементов и структур. Используя эти разработки как некие элементарные кирпичики , ученые, скорее всего, уже в ближайшем будущем смогут построить величественное здание новой эры нанотехнологий. Это здание будет базироваться на фуллеренах, нанотрубках, а также на квантовых ямах, шнурах и точках.

Фуллерены были экспериментально открыты совсем недавно, в начале 90-х годов, но сразу же произвели переворот в сознании многих исследователей. До открытия фуллеренов человечеству было известно только три формы существования углерода: в виде известных всем со школы графита и алмаза, а также в виде карбина.

Но, оказывается, этими тремя возможностями далеко не исчерпываются варианты объединения молекул углерода между собой. В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула фуллерена (например, С60) содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) - это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Вся прелесть фуллеренов состоит в том, что они способны существовать не только в виде неких гигантских молекул-мячей (бакиболов), но при определенных условиях способны сворачиваться в цилиндры, состоящие из нескольких тысяч атомов углерода и называемые нанотрубками. Полученные таким образом нанотрубки имеют серьезные преимущества перед большинством известных на сегодняшний день материалов: по прочности они превосходят сталь, весят существенно меньше любого пластика, великолепно проводят электрический ток, а также тепло. А что самое главное, в зависимости от метода получения, могут демонстрировать как n-тип проводимости, так и p-тип, а значит, их можно будет использовать для изготовления сверхпрочных и сверхминиатюрных переключающих элементов!

Квантовые точки (их еще иногда называют квантовыми каплями, но для многих это звучит слишком загадочно) чаще всего представляют собой трехмерные полупроводниковые структуры, в которых движение электронов ограничено по трем координатам (такой эффект достигается при вкраплении фракций полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, отличной от ширины запрещенной зоны полупроводниковой матрицы подложки). Размеры квантовых точек настолько малы, что в движении электронов начинают проявляться эффекты размерного квантования. Думаю, что пояснение типа квантовые точки - это искусственные атомы , не очень многое прояснит.

Свойства квантовых точек еще до конца не изучены. Ученые, проводя исследования, пока только пытаются предсказать, на что будет способна квантовая капля, когда она, положим, примет на себя свет или окажется в электрическом поле. Как она тогда себя поведет? Если как отдельный атом, то тогда электрон, по всем законам физики, получит свою орбиту и свое квантовое состояние в этой капле. А раз так, то будет, в сущности, искусственно создан атом, а не просто новое вещество. Да еще со свойствами, которых в природе не существует. Если упростить пояснение, то наука занимается сегодня тончайшей инженерией, когда конструируется электронная зона кристаллов и их состояние внутри. Это и есть новый этап. Он означает, что наука перешла к конструированию искусственных атомов. В том числе, тех самых квантовых точек, о которых идет речь.

Взглянув на точки, расположенные на поверхности материала, а это возможно с помощью высокоразрешающего электронного микроскопа, можно легко увидеть, что расположены они организованно, так, как этого захотели ученые. И вот над этими каплями-точками ходит вольфрамовое острие и раздает каждой из них (или сажает в них) по одному определенно направленному электрончику. При очередном проходе вполне можно посмотреть, а точнее, прочитать ту мысль, информацию, какую в капли заложили при их укладке. Словом, каждая капля становится элементом памяти, по размеру сравнимым с атомом. Представьте себе: весь элемент памяти сидит всего в нескольких атомах. Это пока воспринимается как фантастика, которая быстро превращается в реальность.

Перспективы нанотехнологий

Нанотехнологии уже сейчас стучатся не только в дверь науки, но и производства. Вот-вот они принесут в мир особо емкие устройства памяти, которые, например, заменят жесткие диски в нынешних ЭВМ. Неподвижная кремниевая пластина с расположенными на ней целыми полями квантовых капель (до десяти в десятой степени на один квадратный сантиметр) будет представлять собой сверхъемкое устройство для хранения информации. Терабайты памяти в чипе площадью несколько квадратных сантиметров - это перспектива ближайшего будущего, в более же отдаленном - нас ожидают куда более захватывающие возможности.

Например, в медицине и геронтологии возможно появление молекулярных роботов-врачей , которые будут существовать внутри организма, помогая ему бороться с инфекциями, а также исправляя генетические и другие дефекты, возникающие в результате стохастических сбоев физиологической деятельности живой системы. Безусловно, они позволят решить проблемы старения и тем самым существенно отодвинут возраст, при котором наступает биологическая смерть организма.

В кибернетике и микропроцессорном производстве нас ждет замена существующих планарных технологий трехмерными, размеры активных элементов будут сопоставимы с размерами молекул, частоты микропроцессоров достигнут терагерцовых величин - все это позволит создать беспрецедентно мощные вычислительные системы, а возможно, и искусственный интеллект, по своим параметрам превосходящий человеческий.

Нанофабрики , заселенные миллиардами искусственных нанороботов, смогут синтезировать любые белковые вещества на основе углекислого газа и воды, таким образом будет решена как проблема пропитания все возрастающего населения Земли, так и проблема глобального потепления , вызванная парниковым эффектом. Стоит ли говорить о том, что подобное сельское хозяйство не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде.

Все вышеописанное возможно, только пока неизвестно, сколько все это будет стоить, и когда наконец произойдет. Пока нанотехнологии оказываются безумно дорогостоящими, а значит, экономически их применение (особенно на начальном этапе) будет оправданно далеко не везде и не всегда. К тому же, каждому нанороботу для своей работы требуется энергия (что же, законы термодинамики нарушить нельзя, порядок самопроизвольно не может зарождаться из хаоса), а коэффициент полезного действия работы нанороботов может оказаться очень даже низким. Поэтому еще раз отсылаем чересчур оптимистичных или впечатлительных читателей к эпиграфу. Нанотехнологии, скорее всего, не совершат революции, они не изменят мир мгновенно и бесповоротно, напротив, они будут достаточно медленно проникать в производство, до тех пор пока цена их использования не упадет ниже стоимости использования традиционных технологий.