CC BY
69Компоненты и технологии, № 4'2003
Дело Эрика Дрекслера
живет и побеждает
Сейчас в мире более трехсот компаний самой различной направленности имеют в своем названии префикс «нано». Ежегодно на исследования в данной области тратится не менее двух миллиардов долларов. Нанотехнологии предполагают радикальное изменение окружающего человека мира. Похоже, самое время обратиться к истокам нанотехнологии, посмотреть, что получилось из ожидаемого, что появится в ближайшее время и что будет, к сожалению, достаточно нескоро.
Владимир Дмитриев
Nanogram, NanoOpto, Nanophase, NanoProducts, Nanosphere, или Technanogy... Нанотехнологией всерьез заинтересовались гиганты бизнеса: IBM, Lucent, Hewlett-Packard, Samsung, Siemens, BASF, ChevronTexaco, DuPont, NEC, Mitsubishi, Dow. Во всех развитых государствах созданы соответствующие организации, действующие на правительственном уровне. По всем признакам нанотехнологии становятся стратегическим фактором бизнеса и политики. Более того, на фоне ее развития наблюдается общий интерес к технологиям микроразмеров, нанотехнологии стали консолидировать вокруг себя специалистов самых различных отраслей науки и техники.
Одно из известных определений термина «нанотехнология» следующее — это научные исследования и разработки технологии на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях в диапазоне размеров 1. 100 нанометров (иногда встречается расширение этого диапазона до нескольких тысяч нанометров) с целью понимания происходящих на данном уровне явлений, создания на основе полученных знаний материалов, устройств и систем, которые имеют новые свойства и функции.
Для представления масштабов объекта исследования и производства приведем основные соотношения (рис. 1-5).
Рис. 1. Размеры атома меньше одного нанометра и составляют несколько ангстрем (то есть несколько десятых нанометра)
Рис. 2. Десять атомов водорода (голубые шары) составляют один нанометр. Молекулы ДНК имеют толщину около 2,5 нанометра
Если сейчас микросхемы имеют элементы, измеряемые в микрометрах, то есть в миллионных долях метра, то молекулы и атомы измеряются в нанометрах (в тысячу раз меньше). Разработчики новой технологии будут строить наносхемы и наномашины. Хотя это трудно себе представить, утешает то, что все равно практически все будет состоять из пустоты (но тут надо быть поосторожнее — понятия физического вакуума и эфира не определены однозначно). Размер ядра атома составляет около 1/100 000 размера самого атома, а размер атома — около 1/10 000 размера бактерии, в то же время размер бактерии — около 1/10 000 размера комара. Если все это перемножить, то получите подтверждение моих слов.
Представленное выше определение термина «нанотехнология» является довольно широким и включает в себя целый спектр научных и практических направлений. Так, уже современное развитие микроэлектроники фактически является нанотехнологией, поскольку достигнутые размеры компонентов вполне укладываются в указанные размеры. К наноразмерам приближаются электронные компоненты ряда известных производителей, которые взялись за подготовку к промышленному производству КМОП-структур с толщиной перехода 70 нм. Более того, утверждается, что ряд деталей транзисторов будет иметь толщину в три атома.
Рис. 3. Биологические клетки (такие, как красные кровяные тельца) имеют размер в тысячи нанометров
Рис. 4. Булавочная головка имеет размер примерно в миллион нанометров.
Компоненты и технологии, № 4'2003
Вообще говоря, сейчас реализуются два противоположных подхода к созданию наномашин: (1) эволюционный путь постепенного уменьшения элементной базы, который характерен для микроэлектроники, или (2), создание наномашин из естественных элементов — атомов и молекул, чем занимается, например, генная инженерия. Эти два базовых метода, принятые до настоящего времени, определяются как «нисходящий» и «восходящий». В какой-то мере микроэлектронике повезло — именно здесь наиболее близок предел миниатюризации. Эволюционный путь постепенного уменьшения элементной базы заканчивается буквально на наших глазах. Совершенно очевидна необходимость развития усилий именно во втором направлении, приводящем к изменению самих принципов построения, по-видимому, всей элементной базы микроэлектроники. В широком смысле речь идет о применении принципов нанотехнологии во многих различных сферах человеческой деятельности.
Здесь мы ненадолго вернемся к первоисточникам нанотехнологии.
Истоки
В 1959 году известный физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции «There's Plenty of Room at the Bottom», прочитанной им в Калифорнийском технологическом институте, отметил, что, хотя живые объекты могут быть очень малыми (такими, например, как биологические клетки), они самостоятельно производят некий продукт, в том числе воспроизводят самих себя. В итоге они способны создавать и достаточно большие объекты. Кроме того, они каким-то образом хранят информацию. Если мы хотим создавать такие же великолепные вещи и существа, которые окружают нас в жизни, мы должны действовать на таком же уровне и устройствами такого же размера. Говоря другими словами, для производства веществ и материалов совсем необязательно использовать существующие громоздкие устройства и механизмы.
Фактически Р. Фейнман предвосхитил появление нанотехнологии, хотя этого термина тогда не существовало. Всего лишь за несколько лет до этого появился термин «чип» и вопросы создания принципов микроэлектроники были очень актуальны. Экстраполируя в будущее достижения физики тех лет, он заявил, что потенциально возможно (скажем, с помощью электронного луча) записать все 25 000 страниц Британской энциклопедии 1959 года издания на булавочной головке.
А все знания, накопленные человечеством, уложатся в тетрадку конспектов студентов. Так что получается, что идейным отцом микроэлектроники является Р. Фейнман, человек, специально никогда никакого отношения к ней не имевший.
И это было только начало лекции. Далее автор отметил, что кодированием можно уменьшить требуемый объем памяти до ста атомов. Правда, как это довольно часто бывает, он не сказал, как это сделать. Однако заметим,
что в любом случае верхние и нижние оценки объектов исследования имеют особую важность. Далее именитый физик обрисовал возможный путь достижения цели — эскалацию уменьшения размеров средств производства для производства еще более малых средств производства. Теоретически так можно дойти до манипулирования с атомами и молекулами. «И что это могло бы означать? — спросил Фейнман. — Химия превратилась бы в технологию поатомного конструирования искомого предмета или вещества».
«Сейчас мы работаем с исходными продуктами, сформированными природой, — добавил он. — Но я сильно сомневаюсь, что, идя путем микроминиатюризации, мы сможем достичь такого же разнообразия». Автор имел в виду, что упрощение конструкции приведет к уменьшению функциональности производимого продукта, что и наблюдается сейчас в нанотехнологии.
Неоднократно в течение этой известной лекции Р. Фейнман напоминал аудитории, что он не шутит. «Я не изобретаю антигравитацию, которая станет возможной только в случае, если физические законы являются не тем, что мы думаем о них. Я говорю о том, что реализуемо, если известные нам законы физики таковы, как мы их представляем». Таким образом, было авторитетно заявлено о физической возможности построения объектов «атом за атомом».
Данный тезис был подхвачен Эриком Дрекс-лером (K. Eric Drexler), который в своей нашумевшей книге «Машины созидания» (Engines of Creation), изданной в 1986 году, непосредственно обрисовал контуры новой технологии. Читаем: «Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы — от заточки кремня для наконечников стрел до космических кораблей, тем не менее, мы все еще вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов. Однако в наше время появилась альтернатива. Итак, существует два стиля технологии:
• технология, которая манипулирует с атомами и молекулами в больших совокупностях (балк-технология — «bulk» — «оптовый»);
• предлагаемая технология, которая обращается с индивидуальными атомами и молекулами (молекулярная технология, нанотехнология)».
Далее автором был сделан следующий
шаг: «Предметы действуют в зависимости от того, как ведут себя их молекулы. Воздух не держит ни форму, ни объем, потому что молекулы двигаются относительно свободно. Молекулы воды держатся вместе в процессе перемещения, поэтому вода сохраняет постоянный объем в процессе изменения своей формы. Медь сохраняет свою форму, потому что ее атомы связаны друг с другом в определенную структуру; мы можем согнуть ее или ковать ее, потому что ее атомы скользят друг относительно друга, оставаясь при этом связанными вместе. Стекло разбивается, когда мы ударяем по нему молотком, потому что его атомы отделяются друг от друга раньше, чем начинают скользить. Резина состоит из цепочек перекрученных молекул, подобно клубку ве-
ревок. Когда ее растягивают и отпускают, ее молекулы распрямляются и сворачиваются опять. Эти простые молекулярные схемы образуют пассивные вещества. Более сложные схемы образуют активные наномашины живых клеток. Биохимики уже давно работают с этими машинами, которые в основном состоят из белка — основного строительного материала живых клеток. Фактически они по-прежнему должны заимствовать его из клеток. Однако продвинутые молекулярные машины, в конечном счете, позволят нам строить наносхемы или наномашины так же просто и непосредственно, как сейчас инженеры строят микросхемы и моечные машины. После этого прогресс станет впечатляюще стремительным».
Уже в далеком 1986 году автор отмечает: «Генные инженеры уже показывают путь. Обычно, когда химики делают молекулярные цепи, называемые «полимерами», — они сваливают молекулы в сосуд, где они в жидкости сталкиваются и связываются случайным образом. Появляющиеся в результате цепи имеют различные длины, а молекулы связываются без какого-либо определенного порядка. Но в современных машинах генного синтеза генные инженеры строят более организованные полимеры — специфические молекулы ДНК, соединяя молекулы в определенном порядке. Эти молекулы — нуклеотиды ДНК (буквы генетического алфавита), и генные инженеры не сваливают их все вместе. Вместо этого они заставляют машины добавлять различные нуклеотиды в определенной последовательности, чтобы составить определенную фразу. Вначале они связывают один тип нуклеотидов с концом цепи, потом они вымывают лишний материал и добавляют химические вещества, чтобы подготовить конец цепи к связыванию со следующим нуклеотидом. Они растят цепи, нанизывая нуклеотиды по одному за раз в запрограммированном порядке. Они прицепляют самый первый нуклеотид в каждой цепи к твердой поверхности, чтобы удержать цепь от размывания химической средой, в которой она находится. Таким образом, они заставляют большую неуклюжую машину собирать определенные молекулярные структуры из частей, которые в сотни миллионов раз меньше, чем она сама.
Но этот слепой процесс сборки случайно пропускает в некоторых цепях нуклеотиды. Вероятность ошибок растет, поскольку цепи становятся более длинными. Подобно рабочим, откладывающим в сторону плохие части перед сборкой автомобиля, генные инженеры уменьшают ошибки, отбраковывая плохие цепи. Далее, чтобы соединить эти короткие цепи вра-ботающие гены (обычно длиной в тысячи нуклеотидов), они обращаются к молекулярным машинам, имеющимся в бактериях.
Эти белковые машины, называемые ферментами ограничения, интерпретируют некоторые последовательности ДНК как «резать здесь». Они считывают эти участки гена контактно, прилипая к ним, и они разрезают цепь, меняя порядок нескольких атомов. Другие ферменты соединяют части вместе, «читая» соответствующие части как «склеить здесь», аналогично «читают» цепи выборочным при-
Компоненты и технологии, № 4'2003
липанием и соединяют их, изменяя порядок нескольких атомов. Используя генные машины для чтения, а ферменты ограничения для разрезания и склеивания, генные инженеры могут написать и отредактировать любую фразу ДНК, которую захотят.
Но сама по себе ДНК — довольно бесполезная молекула. Она не является прочной как кевлар, не обладает цветом как красители, не активна подобно ферменту, все же она имеет нечто такое, что промышленность готова тратить миллионы долларов, чтобы это использовать, — способность направить молекулярные машины, называемые рибосомами.
В клетках молекулярные машины вначале производят транскрипцию ДНК, копируя информацию с нее на «ленты» РНК. Далее, подобно старым машинам, управляемым цифровым кодом, записанным на ленте, рибосомы строят белки, основываясь на инструкциях, хранящихся на нитках РНК. А уже белки полезны.
Белки, подобно ДНК, походят на бугорчатые нити бусинок. Но в отличие от ДНК, молекулы белка сворачиваются, чтобы образовывать маленькие объекты, способные что-то делать. Некоторые — ферменты, машины, которые создают и разрушают молекулы (а также копируют ДНК, расшифровывают их и строят другие белки в этом же жизненном цикле). Другие белки — гормоны, связывающиеся с другими белками, чтобы давать сигналы клеткам изменять свое поведение. Генные инженеры могут производить эти объекты с небольшими затратами, направляя дешевые и эффективные молекулярные машины внутрь живых организмов для выполнения этой работы. В то время как инженеры, управляющие химическим заводом, должны работать с цистернами реагирующих химических веществ (которые часто приводят атомы в беспорядок и выделяют вредные побочные продукты), инженеры, работающие с бактериями, могут заставлять их абсорбировать химические вещества, аккуратно изменяя порядок атомов, и сохранять продукт или высвобождать его в жидкость вокруг них».
В этой достаточно длинной цитате из книги Э. Дрекслера (а всего в ней более четырехсот страниц) представлены основные принципы нанотехнологии: во-первых, необходимо создать наномашины (автор назвал их «ассемблерами»), которые способны манипулировать с атомами и молекулами «поштучно», во-вторых, ассемблерами нужно каким-то образом управлять, чтобы они производи-
Нобелев- ская премия Лауреаты Основные достижения
1986 Gerd Binnig, Heinrich Rohrer Сканирующий туннельный микроскоп
1989 Hans Dehmelt, Wolfgang Paul Техника выделения отдельных атомов и субатомных элементов
1992 George Charpak Детекторы субатомных элементов
1994 Clifford Schull, Bertram Brockhouse Техника нейтронной дифракции для изучения структуры вещества
1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William Phillips Техника захвата атомов лучом лазера
ли что-то полезное. Наконец, ассемблеры должны самовоспроизводиться, осуществлять «самосборку», то есть репликацию или тиражирование.
Конечно, кроме пионерских идей Р. Фейнмана и Э. Дрекслера современное развитие нанотехнологии определило весь научно-технический прогресс в области манипуляции со сверхмалыми объектами. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на таблицу, в которой отражены достижения в данной области на уровне нобелевских премий. Заметим, что они относятся к созданию принципов, теории и устройств, позволяющих экспериментаторам работать с отдельными атомами.
Инструментарий нанотехнологии
Один из самых больших шагов в нанотехнологии был сделан в 1981 году, когда появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип его работы напоминает процесс чтения незрячим человеком (рис. 6). Тонкий щуп с диаметром острия в несколько атомов сканирует над поверхностью и при наличии достаточно малого расстояния между щупом и поверхностью электроны «туннелируют». Вероятность этого обратно пропорциональна величине зазора, а значит, величина микротока будет зависеть от величины зазора. В итоге сканирование дает картину рельефа поверхности (с помощью ЭВМ). Авторы изобретения получили нобелевскую премию (к сожалению, одна из авторов ее не получила, так как скончалась до этого, а, как известно, нобелевские премии посмертно не дают).
Рис. 6. Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом: 1 — зонд; 2 — пучок электронов; 3 — объект; U — разность потенциалов между зондом и объектом; !т — туннельный ток;
L — расстояние между зондом и объектом
При сближении зонда и поверхности объекта на расстояние Ь = 0,5 нм (когда волновые функции электронов ближайших друг к другу атомов зонда и объекта перекроются) и приложении разности потенциалов и = 0,1-1 В между зондом и объектом возникает ток, обусловленный туннельным эффектом. Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом, поэтому при увеличении расстояния только на 0,1 нм туннельный ток 1т уменьшается почти в 10 раз. Это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по высоте объекта, поскольку не-
значительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное увеличение или уменьшение туннельного тока. Принцип сканирования рельефа поверхности образца поясняется на рис. 7.
Зонд подводят по вертикали (ось Z) к поверхности образца до появления туннельного тока. Затем перемещают зонд над поверхностью по осям X, Y (сканирование), поддерживая ток постоянным посредством перемещения иглы зонда по нормали к поверхности. Таким образом, при сканировании зонд остается на одном и том же расстоянии L от поверхности образца. Вертикальное перемещение зонда для сохранения расстояния L прямо отражает рельеф поверхности образца. При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L = 0,3-1 нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, то есть протекание туннельного тока происходит в «вакууме». Окружающая среда влияет только на чистоту исследуемой поверхности, определяя химический состав адсорбционных слоев и окисление ее активными газами атмосферы.
Данное открытие развилось и было создано целое семейство устройств под общим названием «сканирующие зондовые микроскопы» (scanning probe microscopes — SPMs). Кроме этого имеются сканирующие оптические микроскопы ближнего поля и сканирующие туннельные спектроскопы, также позволяющие наблюдать атомы и молекулы на поверхности. Используются сканирующие тепловые микроскопы, позволяющие определять пространственную картину распространения тепла сквозь наноструктуру.
Аналогичным образом работают и устройства размещения отдельных атомов и молекул на поверхности подложки (см. рис. 8 и 9).
Не забыта и широко применяемая в микроэлектронике эпитаксия. В настоящее время молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является одной из двух постоянно соревнующихся современных базовых эпитаксиальных технологий, позволяющих создавать разнообразные наноструктуры для фундаментальных и прикладных применений на базе практически любой системы полупроводниковых материалов. Традиционная ультрафиолетовая фотолитография, при помощи которой изготовляется вся современная микроэлектроника, имеет, по крайней мере, в 25 раз меньшую разрешающую способность, и сократить этот разрыв практически невозможно из-за длины
Компоненты и технологии, № 4'2003
f-.at, icnal Nonot-echrio І одч і
- Lead ing ■towordb t-he Ne * т.
Industn : a t Re jo1 u'V' on
Рис. 8. Механизм изготовления надписи с помощью зонда
волны излучения. На фотографии (рис. 10) показан внешний вид установки МПЭ.
Существует также оригинальный метод получения наноструктур с помощью введения различных материалов в микропустоты, существующие в природных и искусственных пористых диэлектрических матрицах. Такой метод позволяет создавать трехмерные наборы микрообъектов из разных материалов (диэлектриков, металлов, полупроводников) с различными размерами (от 1 до 100 нм) и с различной геометрической формой (нульмерные объекты — малые частицы, одномерные объ-
екты — ультратонкие нити). Например, использование в качестве матрицы природного волокнистого минерала — хризотилового асбеста, имеющего внутри волокон пустые каналы, позволяет получать системы параллельных ультратонких нитей из металлов, полупроводников и диэлектриков с диаметрами, достигающими рекордно малых величин (наименьшие диаметры нитей составляют 2 нм).
Альтернативой указанным методам является так называемая «молекулярная самосборка», что особенно актуально для микроэлектроники, где элементы однообразны по своей структуре. Такой подход позволит создать массовое производство одноэлектронных транзисторов, матриц для формирования массивов памяти. Например, известно, что структура в виде пирамиды является прочной и обладает рядом интересных свойств. На рис. 11 показана структура, спонтанно возникающая из группы атомов германия на подложке из кремния. Любопытно, что это — пирамида.
И, конечно же, при создании нанотехнологии ученые также положились на достаточно мощные компьютеры для моделирования процессов и явлений наномасштаба.
Молетронные технологии и компоненты
Для однозначного отделения технологий и компонентов, построенных на новых физических принципах, иногда их называют «молекулярными». К ним можно отнести ДНК-компьютеры, квантовые компьютеры.
Так как достаточно давно известно, что геном живых существ находится в ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоте), были предприняты попытки (в том числе и успешные) по использованию этого природного устройства памяти (а точнее, природного компьютера) в промышленных целях. В 1994 году в университете Южной Калифорнии Леонард Аделман предположил, что ДНК может быть использована для решения рядя сложных математических проблем. Аделман предположил, что ДНК могут решить известную «задачу коммивояжера» — поиск маршрута с заходом в каждый пункт лишь один раз. Каждый город кодировался как уникальная последовательность элементов (нуклеотидов) ДНК, алфавит которой состоит из букв А, Т, G, С. Природа ДНК такова, что создание триллионов новых вариантов структур занимает лишь единицы секунд. Теория утверждает, что в результате «гибридизации» правильное решение будет найдено, однако при условии кор-
ректного устранения неверных вариантов. Эксперимент Аделмана считается первым реальным применением молетроники для практических целей, где было использовано свойство ДНК проводить параллельную гибридизацию (в вычислительной технике это адекватно параллельным или систолическим процессам). ДНК-компьютер, объемом не более одного кубического сантиметра, с высокой энергетической эффективностью путем произведения математических операций со скоростью около десяти триллионов в секунду произвел данные объемом 10 терабайт.
Близкими к молетронике являются квантовые вычисления, впервые представленные в 70-х годах. Было обнаружено, что группа атомов, изолированная от внешней среды, может рассматриваться как совокупность квантовых частиц (qubits — кубитов) и быть использована для проведения вычислений и хранения данных на основе их квантовых свойств. Рост скорости проведения таких вычислений имеет экспоненциальный характер по сравнению с существующими вычислительными системами. Дело в том, что кубиты взаимодействуют не на основе традиционной бинарной природы компьютера (нуль или единица), а имеют много промежуточных состояний между нулем и единицей (параметры спина или поляризации частицы, валентность) и способны создавать многомерные структуры (например, молекулы). Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что квантовый компьютер также способен проводить параллельные вычисления, но с возможной их корреляцией, и требует совершенно непривычного программного обеспечения. Обобщая, приходим к выводу, что потенциальные возможности квантовых компьютеров радикально выше, чем у существующих технологий. Однако, похоже, они не столь универсальны и пригодны в большей степени при решении задач криптографии и моделирования, а также при создании больших баз данных.
Контрастом относительно данных направлений, имеющих пока скорее теоретический характер, являются работы, связанные с вопросами взаимодействия собственно наноэлементов (продуктов молекулярной электроники) с квазинаноэлементами, полученными в результате известного эволюционного развития традиционной литографии. Это — суб-стонанометровые элементы (с размерами менее 100 нанометров). Целая группа компаний создает инструментарий и материалы, обеспечивающие внедрение наноустройств в современную электронику. Так, в новом методе создания микрочипов используются К-ди-электрики (low-k dielectric). Специальный материал экранирует медные проводники, удаленные на 90 и даже на 65 нм друг от друга. Сейчас достижимы пока только втрое большие расстояния.
Мировые гиганты микроэлектроники выходят на арену нанотехнологий. Корпорация Samsung Electronics объявила о разработке технологии логических схем с размерами элементов в 90 нм, массовая разработка устройств с их использованием ожидается в 2004 году. Основное применение таких нанокомпонен-
Компоненты и технологии, № 4'2003
тов — в CPU мобильной телефонии, в системах на кристалле (SoC devices). Основными преимуществами данной технологии являются высокое быстродействие и низкое энергопотребление. Среди других достижений корпорации в данной области можно отметить изоленту толщиной 1,6 нм, транзисторные переходы в 70 нм и те же К-диэлектрики.
По сравнению с технологией 0,13 микрон здесь быстродействие увеличивается на 30%, а внедрение ячеек памяти SRAM площадью 1,25 кв. микрона уменьшит размеры интегрированных структур на 50%. Ожидается также соответствующее уменьшение стоимости производства электронных компонентов.
Nanoscience превращается в nanobusiness
Каковы современные достижения различных аспектов нанотехнологии? Сейчас уже произошло известное разделение глобальных путей развития нанотехнологии — одно направление из каждого, даже самого малого достижения нанотехнологии выжимает максимум практической пользы, исследователи второго направления хотят получить сразу все: нанороботов, очищающих кровь и создающих атмосферу на Марсе, и тому подобное.
Первые ростки промышленного использования нанотехнологий уже прочно вошли в обыденную жизнь. Например, производство DVD-дисков стало бы практически невозможным, если бы отсутствовал способ контроля поверхности матрицы будущего диска с нанометровым разрешением (дело в том, что матрицы изготавливают из никеля, который из-за своих магнитных свойств не поддается контролю с использованием электронной микроскопии). Нанометровый контроль поверхности вошел в производство таких далеких от компьютеров вещей, как контактные линзы. Контактные линзы не должны иметь микротрещин, иначе в трещинах аккумулируются болезнетворные микробы, способные негативно повлиять на здоровье человека.
Появилось производство «нанозерен» (nanoparticles, buckyballs — шарообразные молекулы углерода), структура которых определяется квантовыми явлениями, а размеры близки к 1 нм. Технологи сразу же воспользовались известным фактом, что практически все химические (и очень многие другие) взаимодействия осуществляются на поверхности предметов или их элементов. Отсюда следует, что, измельчая реагенты, то есть увеличивая площадь взаимодействия, мы радикально увеличиваем его интенсивность. Целый ряд практических внедрений в наши дни основан на этом явлении и использует «нанозерна». Они же входят в состав эффективного солнцезащитного крема.
Созданы углеродные нанотрубки диаметром всего 1,4 нм, обладающие выдающимися прочностными свойствами. Они уже входят в состав теннисных мячей, ракеток и подножек автомобилей! Перспективно применение «нанопроводов» из кремния, нитрида галлия и других полупроводников в микроэлектронике.
В ближайшие 1-2 года ожидаются еще более яркие технические решения, такие, как
энергоэкономичные экраны мониторов из нанотрубок или батареи из тех же нанотрубок с нановкраплениями лития, имеющие удвоенную емкость и половинное время заряда. Теплопроводность нанотрубок в сочетании с чрезвычайной прочностью позволит использовать их в системах рекупирования энергии разнообразных двигателей, а собственно прочность нанотрубок и их поглощающие свойства произведут революцию в технологии «стелс» и в целом в авиакосмической промышленности. Внедрение нанотрубок в авиацию и космонавтику многие склонны считать большим шагом вперед, чем переход от пропеллера к реактивной тяге.
В фармацевтической промышленности очень важны сетки из нанотрубок и наночастицы лечебных веществ и тестов. Последние будут бороться с болезнями, а также выявлять их на уровне клеток (точнее внутри них). Как видно, многое в ближайшее время будет изготавливаться из нанотрубок, обладающих феноменальными свойствами. Как ни странно, хуже идет продвижение нанотехнологии в электронной промышленности. Причина этого — многомиллиардный объем развитого производства, здесь нанотехнологии неконкурентноспособны попросту из-за своей низкой рентабельности. Видные нанотехнологи считают, что закон Мура будет работать еще 10-12 лет.
Одними из перспективных типов наноэлек-тронных компонентов являются резонанснотуннельные диоды и транзисторы. Устроены они следующим образом — в полупроводнике при помощи двух изолирующих областей образуется так называемая «потенциальная яма» шириной около 10 нм. Электроны могут преодолеть эту «яму» только туннелируя сквозь нее. Квантовая механика говорит, что в такой ситуации электроны внутри ямы могут принимать только определенные, квантованные значения собственной энергии. Для того чтобы ток тек, необходимо, чтобы энергия электронов снаружи «ямы» попадала в эти квантованные значения — это называется энергетическим резонансом. Таким образом работает резонансно-туннельный диод. Его отличие от общеизвестного микроэлектронного диода в том, что он пропускает не весь ток в прямом направлении, а только ток определенной силы (или нескольких определенных сил). Добавив в диод третий электрод, можно построить резонансно-туннельный транзистор. Опять-таки он будет отличаться от классического тем, что будет иметь не один переход «заперт — открыт», а несколько. Таким образом можно будет реализовывать гораздо более сложную логику, чем на классических микроэлектронных компонентах, что должно привести к еще большему росту степени интеграции схем. Все вышеперечисленное касалось перехода традиционных твердотельных интегральных схем на основе привычного кремния в нанометро-вый диапазон. Но на самом деле никто не мешает вообще отказаться от кремния и использовать те же квантовые эффекты в других материалах. Например, уже в 1997 году был синтезирован молекулярный резонансно-
туннельный диод, который представляет собой одну-единственную молекулу. Благодаря точно рассчитанному распределению электронной плотности в молекуле возникает потенциальная яма, в которой и происходят описанные выше квантовые эффекты. Использование молекулярных нанокомпонентов позволит сократить размеры схем еще в 10-100 раз.
В целом стоимость собственно продукции ортодоксального наноразмера составила примерно $50 млн в год, однако стоимость продукции с элементами нанотехнологий достигла миллиардов. Эти продукты включают химикалии, произведенные с микроскопическими катализаторами, лосьоны от солнца с микроскопическими зернами окиси цинка, экранирующими ультрафиолетовые лучи, эмульгаторы, которые предохраняют краску от отделения, и покрытия, которые защищают линзы окуляров или расширяют срок службы инструментов.
Надежды и опасения
Многие годы считалось, что достаточно повторить природу (в семидесятые годы прошлого столетия этот подход назывался «бионикой», сейчас встречается термин «биомимикрия» (Ьюш1ше1к), и успех обеспечен. Действительно, были получены определенные результаты, но человек скорее имитировал природу. Все известные самовоспроизводя-щиеся системы являются биологическими, и мы далеки от полного понимания их работы. Человек в основном шел своим путем, и это является причиной его многочисленных конфликтов с окружающим миром. Скорее всего, так же дело будет обстоять и в области нанотехнологий. Конечно, поатомное созидание слишком дорого и может рассматриваться лишь как простейшая модель. Именно здесь сейчас используются методы типа сканирующей туннельной микроскопии, силовой атомной микроскопии, электронно-лучевой литографии. Успехом данного подхода можно назвать создание миниатюрных редукторов (рис. 12), элементарных чувствительных элементов и тому подобного.
Сейчас там, где имеются регулярные структуры, как, например, в микроэлектронике, успех «самосборки» более очевиден, чем в работах по созданию ассемблеров. Тем не менее, затратив даже огромные усилия на разработку и синтез единственного молекулярного робота, который способен синтезировать себе по-
Компоненты и технологии, № 4'2003
добного, можно быть уверенным в том, что потраченный труд не пропал даром. Нужен только один-единственный прецедент, поэтому приоритетным направлением развития молекулярной нанотехнологии является синтез так называемого молекулярного ассемблера — наноробота, который способен собирать другие молекулярные машины, используя в виде сырья отдельные атомы и простейшие молекулы из окружающей среды. Если молекулярный ассемблер будет создан, то половина проблемы окажется решена. Вторая половина — это система управления ассемблером так, чтобы он собирал нечто осмысленное, а не просто кучку атомов. В основе молекулярного ассемблера лежит устройство позиционирования, которое должно быть способно помещать строительный элемент в определенную точку пространства так, чтобы осуществить наращивание создаваемой конструкции.
Одним из вариантов позиционирующего устройства является так называемая «двойная тренога», число степеней свободы в которой достигает шести, что является вполне достаточным. Однако тренога должна захватывать из окружающей среды именно те элементы, которые ей требуются для производства. Один из способов решения этой проблемы состоит в том, что ассемблер представляет собой непроницаемую микрокапсулу, в стенки которой встроены сортирующие молекулярные роторы. Стенки капсулы могут быть выполнены из диамондоидов — это полимерные органические молекулы из углерода, отдельные атомы которых связаны между собой точно так же, как и в кристаллической решетке алмаза, что придает диамондоидам необходимую прочность и непроницаемость. Молекулярные роторы, встроенные в стенки капсулы, осуществляют отбор извне необходимых атомов, радикалов или молекул и передают их внутрь капсулы, где они захватываются треногой и позиционируются на нужное место. Внутренность капсулы при этом заполняется каким-либо инертным газом, который не будет принимать участия в химических реакциях. Для того чтобы перемещать треногу в пространстве, также необходимы специальные устройства. Такими могут быть, например, храповики, которые осуществляют управление каждой из шести степеней свободы треноги. Для того чтобы храповики приводились во вращение, используется давление инертного газа, подводимого через углеродную нанотрубку.
Из всего вышесказанного видно, что молекулярный ассемблер представляет собой сложную систему и строить ее целесообразно поэтапно: сначала отладить методику сборки-синтеза отдельных элементов наномашин, потом создавать все более сложные конструкции до тех пор, пока созданная наномашина не станет способна воспроизвести саму себя. Вполне очевидно, что на первый план в деле создания наномашин выходит компьютерное моделирование сложных молекул и молекулярных комплексов. Таким образом, микроэлектроника помогает создавать свое неизбежное продолжение — наноэлектронику. Богатый опыт, полученный в сопредельной
дисциплине — органической химии — помогает справляться с подобными задачами.
Устройство управления наномашиной не обязательно должно быть электронным — некоторые исследователи полагают, что с поставленными задачами с успехом может справиться и механическое устройство (см. рис. 12).
Развитие нанотехнологии порождает не только технические, но и другие проблемы: этические, нравственные, моральные и другие. Они очевидны, ведь известный лозунг «назад к природе» меняется на радикально противоположный — «создаем природу». Хотя нового здесь немного — мы давно создаем вокруг себя субприроду в виде квартир, автомобилей и т. д. Нужно просто привыкнуть к новому витку развития техногенного общества.
Здесь имеется традиционная проблема последних нескольких тысячелетий — как отделить зерна от плевел? Что или кто может явиться надежным координатором развития нанотехнологий, где риски столь велики? Фактически, научное сообщество сейчас глубоко разделено по отношению к одному аспекту нанотехнологии — возможно ли создание репликаторов. Если да, то главные опасности могли бы существовать. Предлагаемые рекомендации включают такие правила здравого смысла, как: искусственный репликатор не должен быть способен к дублированию себя в естественную, неуправляемую среду; он должен иметь абсолютную зависимость от искусственных ресурсов; он должен использовать соответствующие коды обнаружения ошибок и шифрование, чтобы предотвратить непреднамеренные изменения в программах воспроизводства и т. п.
Какие можно сделать выводы из сказанного? Нанотехнология перестала быть экзотикой и стала элементом рыночного производства. Несомненно, ее ждет большое будущее, она сделает человека более здоровым и богатым (но необязательно более мудрым). В этом смысле заставляют задуматься материалы телевизионной передачи «Очевидное — невероятное», в которой рассматривались последние результаты в исследовании генома человека. По определению это — самая настоящая нанотехнология на уровне ассемблеров. Интересно, что алфавит ДНК состоит всего из четырех букв, а длина слова (сама ДНК) — из нескольких миллиардов единиц. При этом для клонирования белка (с участием переходного наноробота в виде РНК) используется всего около одного процента содержимого ДНК. Тем не менее многие неиспользуемые части ДНК очень хорошо защищены от мутаций. Этот факт — прямое предостережение, пока даже еще не очень ясно от чего.
Далее, нанотехнология становится центром консолидации усилий ученых и инженеров самых различных отраслей, ее успехи впечатляют. Тем не менее до «нанороботов», воспроизводящих себе подобных, или «ассемблеров», неутомимо создающих нужное человеку, по-видимому, еще довольно далеко. Этот качественный скачок не сделать в один прием, здесь предстоит эволюционное развитие шаг за шагом.
Будет ли успех? — да, это не только возможно, но и почти неизбежно.
