Карлики, которые изменят мир

Текст впервые опубликован в журнале Подводная лодка N11, 2001.
Свойства элементарных частиц далеки от всего того, к чему привык человек в своем макромире. Настолько далеки, что для описания их поведения появилась самостоятельная наука — квантовая механика, оперирующая совершенно иными понятиями, нежели классическая. На ее законы и опирается нанотехнология — технология объектов, размеры которых не превышают 10 мкм.
Возможно, в недалеком будущем именно так и будет выглядеть молекулярный сборщик-многостаночникБезжалостный закон Мура, согласно которому производительность процессоров удваивается каждые 1,5–2 года, вместе с олимпийским принципом «быстрее — выше — сильнее» диктует темп развития современных информационных технологий. Для увеличения производительности интегральных схем их размеры должны становиться все меньше и меньше — ведь в конечном счете от линейных размеров транзисторов напрямую зависит их быстродействие, потому как скорость движения электронов в полупроводниках ограничена, и чем меньший путь им приходится преодолевать, тем быстрее работает интегральная схема. Простое повышение тактовой частоты работы осложняется проблемой эффективного охлаждения (современные процессоры греются не хуже электролампочек), поэтому уйти от миниатюризации невозможно, что заставляет производителей осваивать все более сложные технологии. Но подобное экстенсивное развитие стремительно приближает нас к тому роковому моменту, когда изготовить работоспособный транзистор классическими методами литографии станет невозможно по физическим причинам. В самом деле промышленно достигнутая технологическая норма 0,13 мкм позволяет создавать транзисторы размером 1 мкм с сохранением всех их функциональных характеристик. Конечно, существует немалая вероятность, что полевой транзистор в 0,1 мкм также еще будет функционировать, как задумывалось, но здесь мы уже вплотную приближаемся к загадочной и интересной Вселенной отдельных атомов и квантовых эффектов. Не вдаваясь в утомительные подробности, остановимся только на одном из многочисленных квантовых эффектов — туннельном.
Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) — один из создателей первого сканирующего туннельного микроскопаПоведение всех элементарных частиц, в т. ч. и электронов, в большой степени определяется их энергией. Представьте себе высокую гору, у подножия которой стоит человек. Энергии (попросту говоря, сил) на то, чтобы преодолеть ее, у него нет. Но если бы он каким-то образом перемахнул через гору, то смог бы продолжить свой путь дальше по дороге. В нашем макромире на такое чудо рассчитывать не приходится. Но в микромире ситуация совершенно иная. Если гора достаточно узкая (пусть даже и очень высокая), электрон совершенно спокойно оказывается на другой ее стороне (как бы проходит сквозь несуществующий туннель). Отсюда и название — туннельный. Роль гор в микромире выполняют, например, диэлектрики, которые вообще не проводят электрический ток. Тем не менее при достаточно малых размерах интегральной схемы электроны могут перескакивать с одного проводника на другой, создавая совершенно нежелательные последствия. Это приходится учитывать при разработке технологий производства полупроводниковых элементов.

Однако нет худа без добра, и туннельному эффекту были найдены полезные применения. Одним из них стало изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволившего впервые получить изображение отдельных атомов. Но еще более интересен этот прибор тем, что с его помощью стало возможным не только исследование, но и изменение поверхностей на уровне отдельных атомов. Если приложить большее, чем при сканировании, напряжение между подложкой и иглой, то к игле «приклеится» несколько атомов (в идеале — один-единственный), которые можно поднять и перенести на другое место. В 1985 г. Бинниг c коллегами подали патентную заявку на использование СТМ в промышленных целях. В нашей стране исследования в области СТМ и нанотехнологий велись практически параллельно с зарубежными, первые результаты по массопереносу в нанометровом диапазоне были получены в 1988 г. в Зеленограде. Создание СТМ было бы невозможно без эффективного устройства управления, в качестве которого пока выступает обычный персональный компьютер, оснащенный соответствующей интерфейсной платой.
 Герд Бинниг (Gerd K. Binnig) в 1985 г. вместе с коллегами обосновал применение СТМ в промышленных целяхЗначение зондовой микроскопии (этим понятием объединяют и сканирующий туннельный, и атомный силовой микроскопы, и некоторые другие сходные типы приборов) для изучения структуры вещества на атомном уровне трудно переоценить. Но для того чтобы от анализа существующих структур перейти к их синтезу, требуется создать производительный способ собирать атомы в необходимые в практике конструкции. Использование СТМ для формирования наноструктур в промышленности неудобно по многим причинам, главная из которых — крайне низкая производительность процесса. Для того чтобы сделать что-то, имеющее размеры атома, и инструменты, при помощи которых осуществляется работа, должны быть соответствующими. Так мы подходим к молекулярной нанотехнологии — дисциплине, занимающейся разработкой, моделированием и созданием молекулярных машин. Пионером в этой области считается Эрик Дрекслер, перу которого принадлежит фундаментальный труд Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, опубликованный в 1992 г. Поскольку практически единственным способом получить сложную молекулу является органический синтез, а это очень дорогое удовольствие, то одним из основных требований к молекулярным машинам является их самовоспроизводство. Затратив огромные усилия на разработку и синтез единственного наноробота, способного создать себе подобного, можно быть уверенным, что потраченный труд не пропал даром. Таким образом, одним из приоритетных направлений развития нанотехнологии является создание так называемого молекулярного ассемблера — наноробота, собирающего другие молекулярные машины, используя в виде сырья отдельные атомы и простейшие молекулы из окружающей среды. Если такой ассемблер будет создан, то половина проблемы окажется решенной. Вторая половина — это возможность управления им так, чтобы он собирал нечто осмысленное, а не просто кучку атомов. Такой прибор назвали молекулярным компьютером.
Первый сканирующий туннельный микроскоп (реконструкция)В основе ассемблера лежит устройство позиционирования, помещающее атом или свободный радикал в определенную точку пространства, осуществляя наращивание создаваемой конструкции. Одним из вариантов такого прибора является «двойная тренога», число степеней свободы в которой достигает шести. Но ведь она должна захватывать из окружающей среды только те атомы или радикалы, которые требуются для производства. Один из способов решения этой проблемы — ассемблер, представляющий собой непроницаемую микрокапсулу, в стенки которой встроены сортирующие молекулярные роторы. Она может быть выполнена из диамондоидов — полимерных органических молекул из углерода, отдельные атомы в которых связаны между собой точно так же, как и в кристаллической решетке алмаза, что придает диамондоидам необходимую прочность и непроницаемость. Роторы же осуществляют отбор извне необходимых атомов, радикалов или молекул и передают их внутрь капсулы, заполненной каким-либо инертным газом, не принимающим участия в химических реакциях, где они захватываются треногой и позиционируются на нужное место. Для перемещения последней в пространстве также необходимы специальные устройства. Ими могут быть, например, храповики, осуществляющие управление каждой из шести степеней свободы треноги. Для их вращения используется давление инертного газа, подводимого через углеродную нанотрубку (трубчатую структуру атомов углерода, связанных между собой подобно кристаллической решетке графита).
Сканирующий туннельный микроскоп производства фирмы NT-MDT (г. Зеленоград), модель СТМ–4Первый сканирующий туннельный технологический микроскоп в России и его создатель — Владимир Кириллович Неволин, профессор МИЭТ, доктор физико-математических наукИз всего вышесказанного следует, что молекулярный ассемблер представляет собой чрезвычайно сложную конструкцию, по самым скромным оценкам насчитывающую несколько миллионов атомов. И все это по сути одна-единственная молекула! Получить такого гиганта традиционными методами органического синтеза практически нереально, поэтому решить эту проблему пытаются последовательно — сначала отладить методику сборки-синтеза отдельных элементов наномашин, потом начать все более усложнять конструкции до тех пор, пока они не станут способны воспроизвести сами себя. Но поскольку все процедуры реального синтеза достаточно трудоемки и дорогостоящи, на первый план в деле создания наномашин выходит компьютерное моделирование сложных молекул и молекулярных комплексов. Таким образом, микроэлектроника принимает участие в рождении своего неизбежного продолжения — наноэлектроники. Без сложных вычислительных комплексов, способных виртуально моделировать поведение молекул с учетом многочисленных квантовых эффектов, тут делать нечего. Комплексность задачи легко представят себе те, кто хоть раз видел, как работает агент распределенных вычислений фирмы United Devices, который ищет лекарство от рака. На обсчет одного пакета данных у среднего компьютера уходит несколько часов, а ведь рассматриваемые молекулы состоят всего из пары десятков атомов, не больше! Что же говорить о создании комплекса из миллионов атомов! Тем не менее богатый опыт, полученный в сопредельной дисциплине — органической химии, поможет справиться с подобной задачей.
Самая маленькая гитара в мире — ее длина 0,01 ммДвойная тренога — одна из основ будущих молекулярных ассемблеровИтак, допустим, что молекулярный ассемблер все-таки создан. Но это только полдела. Для управления таким сложным устройством (пусть даже оно и имеет размеры, неразличимые невооруженным глазом) необходим не менее продвинутый компьютер, в идеале соразмерный ассемблеру. Кстати, он не обязательно должен быть электронным — некоторые исследователи полагают, что с поставленными задачами с успехом может справиться и механическое устройство, состоящее из шестеренок в стиле заслуженного арифмометра. Только размеры у этих деталей измеряются десятками атомных диаметров. Существуют и проекты электронных нанокомпьютеров.

В настоящее время традиционный микроэлектронный транзистор имеет размер порядка 1000 нм. Выжав из текущей технологии фотолитографии все, что только можно, вероятно уменьшение его размеров не более чем в десять раз. Но так как транзистор является в некотором роде статистическим объектом (мы берем сколько-то атомов примеси, как-то распределяем их в полупроводнике и получаем примерно те характеристики, какие бы имели в случае идеального распределения атомов), то чем меньше он становится, тем больше возрастает влияние квантовых эффектов на его функционирование. Кому понравится, если между двумя изолированными проводниками будет ни с того ни с сего протекать ток (путь и обязанный своим существованием туннельному эффекту)?
Классический микроэлектронный (сверху) и молекулярный (снизу) транзисторыРассел Юнг (Russel Young) в 1971 г. опубликовал описание прибора Topografiner — предвестника будущих зондовых микроскоповА наноэлектронные компоненты, основанные не на классических, а на квантовых принципах работы, ведут себя совершенно наоборот. Чем меньше они становятся, тем лучше они работают, т. к. квантовые эффекты сильнее проявляют себя на сверхмалых расстояниях. Единственная загвоздка состоит в том, что при этом и изготовлять эти компоненты мы должны уметь с точностью до атомов, иначе вся эта затея лишается смысла. Зато размер отдельного наноэлектронного транзистора может приблизиться к 20 нм, что вдохнет новую жизнь в тот самый закон Мура, под флагом которого все это и происходит. Традиционная ультрафиолетовая фотолитография, при помощи которой изготовляется вся современная микроэлектроника, имеет по крайней мере в 25 раз меньшую разрешающую способность. Сократить этот разрыв практически невозможно из-за длины волны излучения. Опять-таки вся надежда на то, что наномашины будут собирать себя сами, а людям останется только пожинать плоды.

Все вышеперечисленное касалось перехода традиционных твердотельных интегральных схем на основе привычного кремния в нанометровый 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 г. группой под руководством Дж. Тура был синтезирован молекулярный резонансно-туннельный диод, представляющий собой одну-единственную молекулу. Благодаря точно рассчитанному распределению электронной плотности в ней возникает потенциальная яма, в которой и происходят квантовые эффекты. Использование молекулярных нанокомпонентов позволит сократить размеры схем еще в 10–100 раз.
Круг из 48 атомов железа, выложенный на медной подложке. Коралловый остров наномира радиусом 71,3 AИтак, в настоящее время понятие «нанотехнология» означает возможность манипулирования с веществом на уровне отдельных атомов и молекул. И, как это ни странно, первые ростки промышленного применения нанотехнологий уже прочно вошли в обыденную жизнь. Например, производство DVD-дисков было бы невозможно, если бы отсутствовал способ контроля поверхности матрицы будущего диска с нанометровым разрешением. Дело в том, что их изготавливают из никеля, который из-за своих магнитных свойств не поддается контролю с использованием электронной микроскопии.

Нанометровая проверка поверхности вошла в производство таких далеких от компьютеров вещей, как контактные линзы, которые не должны иметь микротрещин, способствующих развитию болезнетворных микробов. Выпускаемые серийно (в т. ч. и в нашей стране) зондовые микроскопы легко оснастить специальными жидкостными ячейками для контроля линз.
Из атомов железа на меди выложены иероглифы, обозначающие слово «атом»Но все эти реальные достижения меркнут перед тем сказочным будущим, которое хотят сделать былью нанотехнологи. В мире победивших нанотехнологий массовое производство продуктов питания будет происходить не на полях и в теплицах, а на заводах. Долой тяжелый фермерский труд! Килограмм наномашин (а в килограмме их будет такое количество, что и сосчитать затруднительно) по соответствующей программе произведет нам мясо и хлеб непосредственно из окружающей среды — кислород и азот из воздуха, углерод и микроэлементы из почвы. Да что там продукты! Нанотехнологи замахнулись на то, что не могли до этого решить все специальности, вместе взятые,— на бессмертие. Если человеческий организм не в силах побороть какую-либо болезнь, надо ему помочь! Внутривенная инъекция наномашин — и вот уже опасный тромб, готовый вот-вот закупорить артерию, разбит на безопасные кусочки и скормлен лимфоцитам. В организм проник вирус, с которым не справляется иммунная система,— не беда. Наши бравые нанороботы ликвидируют любую внешнюю угрозу, и для этого даже не нужно ложиться в больницу — достаточно амбулаторного лечения. Атеросклероз — без проблем! Молекулярный дизассемблер разберет зловредный холестерин на составные части и не подавится. А там уже и до головного мозга рукой подать. Правда, еще далеко не все, происходящее в человеческом организме, понятно современным биологам, но нанотехнологов это, похоже, не останавливает.

Наномашины, безусловно, понадобятся и тогда, когда кто-нибудь захочет оживить одного из тех немногих людей, которые подверглись криогенному замораживанию. На сегодняшний день при этом процессе неизбежны многочисленные структурные повреждения человеческих тканей, которые в сумме своей практически несовместимы с жизнью. Для того чтобы исправить эту печальную для замороженного ситуацию, планируется использование нанороботов, способных восстановить все разрушенные соединения.
Медицина будущего — наноробот устраняет жировые отложения в сосудахЕще одно перспективное направление использования нанотехнологических устройств — терраформинг. Запустив специальным образом сконструированных молекулярных роботов на поверхность избранного астероида, через некоторое вполне обозримое время можно получить среду, пригодную для обитания человека. Применение самовоспроизводящихся наноустройств, по оценкам специалистов, является гораздо более выгодным, чем любые другие способы добычи и переработки вещества.

Конечно, в такой быстроразвивающейся области не обойтись и без доли здорового скептицизма. А что если в процессе проектирования или программирования наномашины будет допущена ошибка? Хорошо, когда можно нажать кнопку, и программа, выполнившая недопустимую операцию, будет закрыта, а что делать, если программа выполняется внутри самого программиста? Поневоле на ум приходят все фантастические боевики и триллеры, посвященные подобным темам. Фактически человечество пытается создать рукотворный многофункциональный вирус, способный к размножению не только в организме человека, а в любой среде — сможет ли оно удержать свое творение под контролем, или придется изобретать нанороботов-охотников, нанороботов-охранников и т. д.?

В любом случае нам с вами ждать осталось не так долго. Оптимисты считают периодом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века, пессимисты — его середину. Как обычно, истина окажется где-то рядом. А пока тем, кто сегодня выбирает свою будущую профессию, стоит задуматься: возможно, программист нанороботов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее популярными специальностями уже через несколько лет…