Аннотация: Это маленькое дополнение к моей книге "Вакуум для науки и техники", выпущенной в 1987 году издательством "Наука".
Научно-популярная книга "Вакуум для науки и техники" была издана в 1987 году, в Сети ее можно скачать на нескольких сайтах. Ниже - написанная в 2005 году короткая дополнительная глава, предназначавшаяся для переиздания, не осуществленного из-за очередного "кризиса". В России, как известно, "четыре стихийных бедствия - зима, весна, лето и осень."
---------------------
ГЛАВА 6
НАНОТЕХНОЛОГИИ
1. Так ли это важно и интересно?
Открыв любое издание, пытающееся немного поговорить о чем-то научном, мы натыкаемся на слова с приставкой "нано-". Нанотехнологии, нанотехника, наномедицина и т. д. Посулы то излечения от всех болезней, то вечной жизни. А то, естественно, страшилки о порабощении человечества разумными вирусами. Половина материалов начинается со ссылки на великого Ричарда Фейнмана, который в 1960 году что-то предсказал, три четверти статей кончаются призывом к выделению бюджетных денег на исследования. Что здесь - очередной самоподдерживающийся процесс самопиара, а что - действительно нечто важное и интересное?
Когда употребляется приставка "нано-", речь идет о чем-то маленьком: это означает 10-9 чего-то - метра, секунды, ампера и т. д. Чаще всего имеется в виду маленький размер. Поскольку человек имеет размер, как сказал бы физик, "порядка метра", поэтому все, с чем Homo sapiens имеет дело, должно быть тех же размеров. Калькуляторы в наручных часах не могли стать ничем, кроме игрушек - не все носят с собой зубочистки, чтобы нажимать на кнопки. А если человек в миллиард раз больше чего-то, то это "что-то" может быть интересно человеку, только если его будет много. Это - принципиально важный тезис, втихомолку осознаваемый большинством тех, кто работает в данной области, но недоступный журналистам. Зато их язык богато украшен словами-заклинаниями: стратегический, приоритетный, новейший, национальный, четко заданный, сверхпрочный, сверхточный, практически достигнутый, глобальный, ошеломляющий, фундаментальный и т. д.
2. Как сделать много
Существует несколько способов сделать много чего-то. Два из них философы назвали бы качественным и количественным, а экономисты - интенсивным и экстенсивным. Первый - это увеличение производительности устройства для изготовления (станка) и увеличение количества станков. По этому пути идет человечество, изготавливая гайки, винты и пули. Второй способ - это создать нечто такое, что будет одновременно производить "целевой продукт" и себе подобных. Третий способ - создать саморазмножающийся станок, который выпускает и винты, и новые работоспособные станки. Заметим, что одного процесса самовоспроизводства недостаточно - станок должен выдавать продукцию.
Идеальный пример второго способа производства одинаковых объектов в большом количестве - биологическое оружие. Боевая бактерия (размножающийся станок), попав в питательную среду - организм человека, - начинает производить и токсин, который является целевым продуктом, и новые бактерии - станки для производства токсина. Причем при разработке биологического оружия в СССР ставилась и была решена задача достижения уровня вирулентности в одну бактерию, то есть одна бактерия, попав в организм, должна была успешно инициировать процесс.
Вот еще способ: групповые технологии, когда один, и не самовоспроизводящийся, а обычный станок производит одновременно много объектов. По этому пути пошла полупроводниковая техника, именно этой идее мы обязаны компьютерами и всему, что с ними связано, - попробуйте без групповых технологий наклепать миллионы транзисторов на чипе. Итак, мы пришли к трем типам производства - индивидуальному, групповому и самовоспроизводству. По эффективности индивидуальное производство явно проигрывает двум другим. Это не означает, что индивидуальное производство пора хоронить, но надо ясно понимать, что если перемещать атомы зондом микроскопа, то скорость производства останется маленькой. Даже если всю сушу Земли заставить микроскопами.
3. Главный вопрос: "Где?"
Большинство современных популярных публикаций на нанотему состоит из восторгов по поводу того, как "ученые манипулируют отдельными атомами", но вопрос "где?" в них обходится. Между тем ящика с гайками и болтами недостаточно: монтажник, будь то простой рабочий, сидящий на консоли на высоте 300 метров и собирающий небоскреб, или изящная девочка на полупроводниковом производстве, знает где и знает куда. То есть каждая деталь - независимо от ее размеров - должна оказаться на определенном месте. Поэтому, если и можно наладить групповое производство или даже производство отдельных деталей с фантастической скоростью, это не решит проблему. В конце концов, нанокластеры, фуллерены и нанотрубки люди научились производить распылением с довольно большой скоростью, но для многих применений принципиально важно, где именно находится нанокластер или нанотрубка. Есть, однако, случаи, когда это не имеет значения. Например, в композитном материале иногда можно расположить элементы любым способом. В таких ситуациях групповые технологии без точного позиционирования - например, выращивание наноострий для автоэлектронных катодов и распыление кластеров для производства композита вполне могут оказаться решением проблемы. Или, например, напыление тонких пленок - при толщине в несколько атомов это вполне может считаться нанотехнологией, но расположение конкретных атомов в данном случае значения не имеет. Нужно только ясно представлять себе будущую биографию нашего продукта. Если изделие не должно быть впоследствии помещено на место с точностью в десяток нанометров, то скорее всего, основной будет проблема скорости изготовления. Если же точное позиционирование потребуется, то проблема скорости изготовления - не единственная и, возможно, не основная. Собственно говоря, можно было бы всю нанотехнику разделить на две области: хаотическую и детерминированную.
4. Вещь, знай свое место
Итак, предположим, что нам надо расположить на поверхности некоторое количество каких-либо элементов, причем неважно, каких. И расположить по возможности точно. Например, сначала разместить транзисторы, а потом к ним что-то присоединить, причем к каждому - свое. Строгую периодичность можно получить, воспользовавшись электромагнитной или звуковой стоячей волной. Способов конкретного решения этой проблемы много, например, можно, чтобы максимумы волны инициировали химическую реакцию, но важен не способ. Важно, что есть эталон периодичности. Однако, во-первых, на длину волны влияют свойства среды, а во-вторых, от одной операции до другой частота генератора может "уйти". Но все же способов обеспечить периодическое расположение элементов существует множество, и среди них есть весьма изящные. Например, при сколе под малым углом на поверхности образуются периодические атомные ступени. Но все эти способы упираются либо в природную периодичность - например, период решетки, либо в точность поддержания некого искусственного параметра. Этот параметр (в приведенном примере - угол скола) задается человеком, и потребности нанотехники не могут быть обеспечены точностью его поддержания. Особенно с учетом естественной ненасытности техники.
На каком-то промежуточном этапе, для какой-то определенной задачи точности может и хватить. Но, рассуждая о перспективе, можно положиться только на два способа обеспечения точности положения. Первый - с опорой на природные точные периодичности, связанные со свойствами атомов (например, на постоянную решетки). Второй - когда решает, где должен располагаться очередной элемент, не человек, а сам процесс, ранее создавшиеся элементы, сама система. Мы добрались до принципа самосборки, которым уже сколько-то миллиардов лет действует природа. Используется для этого технологического приема еще и термин "самоформирование".
5. Новое - не забытое старое
Собственно говоря, мы ничего не изобрели. Именно так действует полупроводниковая технология, и даже не придумывая для этого новых слов. В обычном технологическом процессе некоторые стадии происходят под управлением человека (например, засветка пластины через маску), а некоторые - под "управлением" самого процесса. Например, вся пластина окунается в травитель, но протравливаются те места, где ее свойства уже отличаются от свойств соседних мест. Разумеется, самая первая операция на новенькой и чистенькой пластине должна делаться под управлением человека.
По мере движения технологии в сторону все меньших размеров элементов операции с "ручным управлением" отмирают. Потому что совмещать маски с нанометровой точностью невозможно, а индивидуально обрабатывать их электронным или ионным лучом - вечности не хватит. Техника пришла к выводу о необходимости самосборки, как это давно сделала природа.
6. Проблема больших периодов
Шаг решетки для большинства веществ лежит в довольно узких пределах - это 0,3-0,6 нм. Технологиям могут потребоваться существенно большие величины. Возьмите две расчески, приложите одну к другой и посмотрите сквозь них на свет. Вы увидите периодические широкие темные полосы. Это одномерный аналог так называемых муаровых узоров. А если мы сложим вдвое кусок капрона, увидим двумерный муар.
Теперь представим себе, что на материал с одним определенным шагом решетки мы нанесли один слой атомов материала с другим шагом. Нанесенные атомы, скорее всего, подчинятся подложке и расположатся свойственным ей способом. Возможно, подчинится и второй нанесенный слой. Но рано или поздно наносимый материал перестроится в свою решетку, а в переходном слое возникнут механические напряжения. В результате нанесенный слой может разорваться на небольшие участки, размер которых зависит от рассогласований решеток и силы межатомных связей (на языке больших объектов - от прочности и модуля Юнга). Размер этих участков будет значительно больше межатомных расстояний (как и полосы в муаровых узорах значительно больше периода нитей в исходных тканях), но он будет от них зависеть. И хотя флуктуации размеров конкретных участков возможны, их количество будет выдерживаться точно. А при малых размерах будет точно выдерживаться и сам размер.
7. Наномонтажник с наноключом
В природном технологическом процессе нет напылений, засветок фоторезиста и травлений. В природе сборка сложных молекул производится путем перемещения атомов или фрагментов молекул, причем само перемещение делается молекулами-посредниками. Можно сказать, что действия этих молекул похожи на действия монтажника-человека, можно возразить, что мы вынуждены описывать действия этих молекул на кухонном языке потому, что плохо знаем физику. Но факт налицо: в статьях про нанотехнологии сразу после Фейнмана обычно вспоминают Дрекслера с его книгой "Машины творения", в которой он, видимо, будучи вдохновлен этой моделью, и предсказал создание микромашин, которые будут делать то, что мы захотим, причем поатомно. Идея была для того времени вполне революционная, но сейчас мы понимаем, что важна еще и производительность.
Что же касается собственно наномашин, то определенное продвижение на этом пути имеется. Например, созданы молекулярные устройства, преобразующие колебания кислотности среды или освещенности в перемещение атомов. Можно приспособить для изготовления наноматериалов природные наномашины - вирусы. Конечно, внутриклеточные "наномашины", например, те, что синтезируют АТФ за счет разности концентрации ионов по разные стороны мембраны, или конвейерные сборщики рибосом, выглядят изощреннее. Но, опять же, природа конструировала эти чудеса намного дольше, чем человек - свои машины.
8. Три группы задач
Задачи, стоящие перед "нанотехнологиями с позиционированием", можно разделить на три группы. Первая, самая понятная, группа - это задачи микро-, то есть наноэлектроники. Транзисторы еще меньше, память еще больше, объем диска - еще громаднее.
Вторая группа задач - это задачи биологические. Вроде ремонта клеток, состригания бляшек в кровеносных сосудах и тому подобного. Вещи эти все пока что вполне фантастические. Не исключено, однако, что на пути нанотехники будут синтезированы вполне обычные вещества, которые окажутся эффективными средствами от некоторых болезней. Собственно говоря, больному без разницы - лечит его вещество, созданное нанометодами (но само действующее традиционно - химически), или "существо", действующее нанометодами. Тем более что и граница-то эта не вполне четкая. Журналисты, украшая свои статьи рисунками этаких подводных лодок со жвалами, отгрызающими бляшки, только зря пугают читателя. Молекулу, действующую "нанометодами", изобразить вообще невозможно - у нее нет "вида" в обычном понимании.
Третья группа задач для нанотехнологий - самая интригующая. Есть применения, связанные с оперированием отдельными атомами, - так называемые квантовые вычисления. Вещь это наиболее загадочная и наиболее многообещающая. Причем первые две группы задач отчасти соприкасаются - нанобиологию можно использовать и в наноэлектронике, физика это не запрещает, и первые результаты в этом направлении уже есть.
Как известно, электричество состоит из электронов. Электрикам это безразлично - при токе 1 ампер через сечение проводника протекает за секунду около 6.1018 электронов - где уж там разглядеть каждого! Радиотехники и электроники работают с много меньшими токами, и наличие отдельных электронов они уже замечают - в виде шума. Если у меня течет по проводу, например, ток в 10 в минус 17 степени ампер, то есть 60 электронов в секунду в среднем, то иногда это будет 60, иногда 59 или 61, немного реже 58 или 62, еще реже 57 или 63 и так далее... А что это, как не шумовой сигнал, то есть сигнал (ибо ток меняется), причем шумовой (ибо не несет полезной для нас информации). С переходом к нанотехнологиям возникает другая трудность. Сами заряды, с которыми работают наноприборы, становятся очень малы, например, 10 электронов. Передавая от прибора к прибору заряд в среднем в 10 электронов, мы будем иногда передавать 10 электронов, реже 9 или 11, ещё реже 8 или 12, и так далее. Но у каждого прибора есть порог срабатывания. И если этот порог, например, 5 электронов, то в 3% случаев прибор не будет срабатывать, он просто не будет замечать, что получил сигнал.
9. Что такое вычисления?
В обычном понимании вычисления - это операции с символами, в том числе с цифрами. В некоторых случаях задача явно ставится в такой форме ("преобразовать данное выражение", "найти скорость данного тела"). В ряде ситуаций задача формулируется иначе, но она - и условия, и ответ - может быть более или менее простым путем приведена к символьному и числовому виду. Например, граф или лабиринт легко представить в виде списка вершин и связей, а путь в нем - перечнем вершин. Формально представить решение в виде символов можно всегда, ибо решение - это информация.
Что имеют в виду, когда говорят о ДНК-вычислениях? Молекулы ДНК действуют, причем могут действовать управляемо: с помощью других молекул их можно резать, сшивать, копировать, обменивать части на части других молекул. То есть с ними можно осуществлять молекулярные операции. Поскольку ДНК - это полимер из мономеров четырех типов, ее можно представить как последовательность символов и любым операциям с ДНК поставить в соответствие операции с последовательностями символов.
Немедленно возникает вопрос: обладает ли эта система полнотой, достаточной для универсальности, то есть можно ли посредством ДНК-операций изобразить машину Тьюринга и тем самым реализовать любой вычислительный алгоритм? Ответ на этот вопрос известен (Э.Шапиро, 2001), и он положителен. Разумеется, работает такой компьютер медленнее самой медленной во Вселенной черепахи. Для некоторых задач найдены специальные ДНК-алгоритмы. Например, для поиска пути на графе (Л.Эйдельман, 1994) - это был первый ДНК-алгоритм. Но все равно, создание ДНК-вычислителя, способного заменить обычный компьютер, маловероятно. И никакие разговоры о "чудовищном параллелизме", который возникает, когда в пробирку наливают раствор ДНК, не имеют отношения к делу. В параллельных вычислительных системах разные элементы делают разные операции или одинаковые - но над разными объектами, а не просто миллион миллионов раз повторяют одно и то же.
Скорее всего, "ДНК-вычисления" послужат не для собственно вычислений, а для сборки наноконструкций. Применение парадигмы вычислений позволит, с одной стороны, легче понять, что именно происходит в пробирке, с другой же - применитьт или использовать большой и мощный математический аппарат. Вот что пишут об этом исследователи из Института прикладной математики им. М.В.Келдыша - Г.Г.Малинецкий, Н.А.Митин и С.А.Науменко: "В идеальном варианте свойства, алгоритм поиска и алгоритм синтеза (сборки) описываются на языке для ДНК-вычислителя. Затем "программа" выполняется, в результате получается нужное вещество. Несмотря на то, что этот процесс в точности напоминает описанный писателями-фантастами, современная наука близка к его осуществлению".
Человек - часть природы, и как мы от природы ни изолируемся, но все равно носим ее внутри себя. В технике же интерес к природе возрастает время от времени. Мы с вами еще помним расцвет бионики в начале второй половины прошлого века. Похоже, что мы сейчас находимся в начале второго такого периода. По крайней мере, в области нанотехнологий.
10. Увидеть атом, взять его в руки
Чтобы увидеть отдельный атом, взять его, переместить и положить на нужное место, применяются два прибора, о которых мы сейчас расскажем. Это СТМ - Сканирующий Туннельный Микроскоп и АСМ - Атомно-Силовой Микроскоп.
Прежде всего, о смысле слов. В нанообласти слово "взять" и слово "переместить" по отношению к атому имеют обычный смысл. Атом - достаточно массивный объект для того, чтобы в данном случае классический подход был адекватен. Например, с электроном - вы знаете это из школьного курса физики - ситуация сложнее. А вот "увидеть" атом в обычном смысле слова нельзя. Человек видит посредством света - электромагнитного излучения с длиной волны около половины микрона. Чтобы объект правильно воспринимался, то есть чтобы его изображение на сетчатке глаза было похоже на него самого, он должен, во-первых, взаимодействовать со светом, отражать или поглощать его, а во-вторых, иметь размеры заметно больше длины волны.
Поэтому, в частности, нельзя увидеть электрический ток, тепловое поле, электромагнитное поле большей или меньшей, чем у видимого света, длины волны, постоянное магнитное и электрическое поле, механические напряжения и т.д. Журналисты, пишущие "о науке", как попугаи, повторяют, как много информации люди получают посредством зрения - не задумываясь над тем, как много они не получают. В технической физике для выхода из подобной ситуации есть целый класс методов, которые называются "методы визуализации". Например, термокраски, изменяющие цвет при нагреве, позволяют сделать видимым распределение температур. Делают это и колечки-"хамелеоны" с жидким кристаллом. Когда в школе вы сыпали железные опилки на лист картона и подносили снизу магнит - вы занимались, страшно сказать, визуализацией постоянного магнитного поля (именно в результате таких игр возникло понятие "силовой линии"). Аналогично можно визуализовать электрическое поле, только потребуется другой порошок.
Как можно визуализовать атом? Например, измерив плотность окружающего его электронного облака и преобразовав значения этой плотности в картинку на экране или бумаге. Представим себе, что вдоль поверхности проводящего объекта движется зонд - проводящее острие. Если между объектом и зондом приложено напряжение (от милливольт до вольт) и расстояние между ними составляет около нанометра и менее, начинает протекать ток. Это не ток термоэмиссии, потому что острие и объект холодные, и не ток автоэмиссии, потому что напряжение мало. Это ток электронов, туннелирующих из объекта в зонд, потому что расстояние между ними настолько мало, что электрон - в этом проявляются его квантовые свойства - имеет ненулевую вероятность "прийти в себя" не в объекте, а в зонде. Измеряя ток, можно определять расстояние, но ток очень сильно зависит от расстояния, поэтому реально прибор работает иначе. При перемещении зонда вдоль поверхности расстояние между зондом и поверхностью изменяют так, чтобы ток поддерживался постоянным. Получается, что зонд летит (хотя судя по скорости - ползет) над поверхностью на постоянном расстоянии от ее электронного облака, стало быть - от ее атомов. Летит, как сказали бы авиаторы, в режиме огибания местности...
Основные проблемы таких микроскопов - это зонд и система его перемещения. Зонды изготовляют из тонкой проволоки и заостряют электрохимическим травлением, причем для разных исследований и для разных объектов используются разные зонды, существуют оригинальные технологии изготовления острий и т.д. Перемещают зонды пьезоэлектрическими манипуляторами. Используется обратный пьезоэффект - изменение размеров кристалла при приложении напряжения, а само напряжение на кристалле и используется как информация о положении зонда, причем разрешение достигает тысячных долей нанометра в направлении по нормали к образцу и сотых долей нанометра в плоскости образца.
Заметим, что прямой пьезоэффект вы используете на кухне - в пьезоэлектрической зажигалке. А настоящие мужчины, смелые люди, которые не боятся умереть от рака, и еще более смелые женщины, которые не боятся родить ребенка с отклонениями от нормы - в зажигалках, от которых прикуривают.
Атомно-силовой микроскоп - это по сути дела сверхчувствительный измеритель профиля поверхности. Его зонд, острие из кремния или нитрида кремния располагается на конце миниатюрной упругой пластинки, которую называют "кантилевер". При перемещении зонда вдоль поверхности регистрируют отклонения кантилевера либо осуществляют перемещения зонда таким образом, чтобы прогиб кантилевера (следовательно, и сила взаимодействия между зондом и образцом) оставался постоянным. Такой микроскоп позволяет измерять не только профиль поверхности, но и силу трения, адгезию, упругость поверхности.
При исследовании мягких материалов, например, полимеров или биологических объектов применяют так называемые модуляционные методы. В этом случае кантилевер колеблется, при каждом колебании касаясь поверхности. Эти касания вызывают изменения амплитуды и частоты колебаний. А поскольку зонд не ползет все время по поверхности, а только задевает за нее, воздействие на поверхность образца уменьшается.
СТМ можно использовать не только как исследовательский прибор, но и как инструмент для воздействия на атомы поверхности. Используя межатомные силы между "последним" атомом иглы и атомом на поверхности, а также электростатические силы, действующие со стороны иглы на поверхность, можно цеплять атомы к игле, перемещать их по поверхности в нужное место, удалять ненужные, осаждать дополнительные атомы с иглы. Получается, что для атомных манипуляций и наблюдения служит один и тот же прибор: можно сначала осмотреть поверхность, выбрать объект для манипуляций, провести их, а затем проверить результат.