Чудеса нанотехники. Часть первая: наноначало

 


Ровно 100 лет назад знаменитый физик Макс Планк (Max Planck) впервые приоткрыл дверь в мир атомов и элементарных частиц. Его квантовая теория позволила предположить, что эта сфера подчинена новым, удивительным законам.

Сегодня учёные и исследователи во всём мире свободно обращаются с этими законами, позволяя себе манипулировать "нанокосмосом". Они создают шарики диаметром в 1 нанометр — одну миллиардную часть метра — и создают надписи из отдельных атомов.

Ещё в 1959 году, когда доработанная квантовая механика Планка уже сделала возможным появление атомной электростанции и уже была произведена первая ядерная бомбардировка, американский физик Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявил: "Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа". И добавил: "Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле".

Знаменитая лекция Фейнмана, известная под названием "Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение мира атомов и молекул.

Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий: ему принадлежит новая формулировка квантовой механики, жидкий гелий, теория слабых взаимодействий и кварн-глюонная картина строения вещества...

Лекцию Фейнмана можно было бы посчитать курьезом из прошлого, как и приз в $1000, который он назначил тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году. Но дальнейший прогресс так ускорил прорыв в "нанокосмос", что сегодня эта область исследований не может оставаться незамеченной.

Само понятие же "нанотехника" было введено в 1974 году японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi). Первые средства для нанотехники были изобретены в швейцарских лабораториях фирмы IBM. В 1982 году был создан растровый туннельный микроскоп, за что его создатели четырьмя годами позже получили Нобелевскую премию, а в 1986 году — атомный силовой микроскоп.

В то время, как в электронный микроскоп атомарные размеры можно рассмотреть лишь при определённых условиях, новые зонды дают более точную картину. "Принцип атомного силового микроскопа напоминает обычный проигрыватель пластинок", — говорит один из его создателей, Герд Бинниг.

Однако слово "микроскоп" вводит в заблуждение. Нанозонды дают возможность не только увидеть мир атомов, но и изменять его. "Растровые зонды-микроскопы служат посредником между нами и наномиром", — говорит Гаральд Фукс (Harald Fuchs), физик из Мюнхенского университета, руководитель Центра нанотехнологии.

Одной из самых важных особенностей квантовой физики наших дней является то, что любое наблюдение — это манипуляция с наблюдаемым объектом. Тот, кто измеряет, к примеру, импульс атома гелия, вступает во взаимодействие с ним и изменяет его первоначальное состояние. В растровых зондах-микроскопах наблюдение и манипуляция стали нераздельны, как две стороны одной медали: контакт ультракрошечного кончика микроскопа с атомом действует и на объект, и на инструмент.

То, что технизация наномира идёт так стремительно, зависит не только от неуёмного любопытства естествоиспытателей, которое рассматривалось Фейнманом как центральный мотив научного поиска. В первую очередь она зависит от развития информационного общества, порождающего огромные объёмы информации, которые должны всё быстрее обрабатываться.

Поскольку информация существует в нераздельной связи с реальными запоминающими устройствами и процессорами, это рано или поздно приводит к огромной проблеме занимаемого ею места.

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров наступит конец. После этого предела наступает квантовомеханическая помеха: электроны пробивают разделительные слои в транзисторах, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров.

Есть уже лабораторные образцы первых молекулярных электронных деталей: транзистор из крохотной углеродной трубочки диаметром в один нанометр. Физики из города Делфт, Нидерланды, смогли превратить такие трубочки в необходимый для транзисторов контакт металл-полупроводник.

"Нанотрубки", как ещё назвали этот открытый в 1991 году в Японии вид углерода, могут быть и тем, и другим. При надломе такой трубки посередине одна половинка получается с металлическими свойствами, а другая — со свойствами полупроводника. Руководитель делфтской команды Сис Деккер (Cees Decker) считает, однако, что до промышленного производства таких "трубочных" транзисторов ещё далеко.

Эксперименты ведутся также и с фуллеренами, открытыми в 1985 году молекулами углерода в форме шара. Исследовательская группа из калифорнийского университета Беркли смогла в прошлом году превратить "мячик" молекулы С60 (атомы углерода в ней расположены в углах пяти— и шестиугольников, образуя форму кусочков кожи, из которых сшит футбольный мяч), зажатой между золотыми электродами, в одноэлектронный транзистор.

Между тем, известен целый ряд органических молекулярных групп, которые могут функционировать как выпрямитель, проводящая шина или запоминающее устройство. Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула. Изготовленный таким образом накопитель на жёстком диске мог бы во много раз превзойти по ёмкости сегодняшние аналоги.

Нано-ЗУ, работающий на механическом принципе, изобрели учёные из IBM под руководством Герда Биннига (Gerd Binnig). Так называемый миллипед представляет собой растр из 1024 рычажков силового микроскопа. Если нужно записать "1", их кончики продавливают отверстие в мягком слое полимера.

Для считывания битов миллипед проверяет поверхность на наличие дырочек. Если рычажок попадает в отверстие, его температура, а вместе с тем и сопротивление, изменяются, а его уже можно измерить. Таким способом можно получить плотность записи до 80 Гб на квадратный сантиметр (сравните с максимально достижимой сегодня ёмкостью 8 Гб/кв. см). Через 3 года IBM изготовит миллипед с 4000 зондов, который можно будет применять в новом поколении портативной техники. По мнению Биннига, легко можно представить себе плату с миллионом зондов.

Membrana.ru