Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

В качестве еще одного наглядного примера повышения точности при «притирке» можно привести пару болта и гайки одного размера. Попробуйте многократно вкрутить болт в гайку и выкрутить его, и вы убедитесь, что скоро он будет очень легко и точно входить во все прорези. Это метод достижения точности не кажется мне подходящим для очень малых изделий хотя бы потому, что любая притирка требуем много механических усилий, не говоря уже о том, что ее эффективность на требуемом нам микроскопическом уровне весьма сомнительна.

Существует еще один известный метод точной механической обработки изделий, основанный на так называемом электростатическом пушпульном механизме (что означает движение взад-вперед вдоль одной оси). Метод сводится к тому, что при повторяющемся движении обрабатываемых деталей относительно друг друга, вы можете регулировать напряжение таким образом, чтобы неоднородности при трении взаимно «гасились». Впрочем, должен признаться, что этот метод точной подгонки также не представляется мне эффективным для решения проблемы точности на микроуровне.

С другой стороны, стоит задуматься над тем, что проблемы точности в малых масштабах могут трансформироваться и принимать более приемлемые формы. Подумайте, например, над тем, что если обрабатываемые изделия содержат всего около сотни атомов, а вам необходима точность в 0,5 %, то задача сводится лишь к удалению или добавлению всего нескольких атомов, после чего изделия могут стать почти одинаковыми. На атомарном уровне точности числа атомов в объектах могут различаться на один атом, то есть сверхмалые изделия при этом в некотором смысле должны быть совершенно одинаковыми.

Мне представляется, что в качестве метода изготовления микроскопических объектов может эффективно использоваться классическое «литье» деталей или целых изделий. В сущности, кроме каких-то специфических атомарных ограничений, ничто не мешает нам изготавливать формы и отливать микроскопические объекты по точно заданному образцу. Более того, мы уже частично занимаемся таким производством, поскольку все чаще в технических процессах используются так называемые реплики. В разных производствах их называют образцами, шаблонами, отпечатками и т. д., но это не меняет сути, поскольку речь идет именно о создании копий (чаще всего по биологическим образцам) в виде кремниевых или ацетатных «отливок». Строго говоря, получаемые на электронном микроскопе изображения являются вовсе не «изображениями» реальных объектов, а их репликами, или «отливками», полученными иных средах и материалах. Этот процесс может быть фактически развит для всех масштабов исследования и производства.

Исторически создалась ситуация, когда ученые постоянно оглядываются на биологию, рассматривая природу в качестве образца для подражания. Это отношение сложилось так давно и является столь утвердившимся, что его не могут поколебать даже явные недочеты эволюции (природа действительно не смогла создать колеса!). Очень многие наши успехи связаны именно с отказом от природных аналогов, например, самолеты оказались эффективнее и перспективнее всех вариантов летательных аппаратов типа махолетов, подражающих полету птиц. Я хочу сказать, что биология выступает учителем науки, но она вовсе не является идеалом, и мы вполне можем придумывать методы, не существующие в биологии. Например, если требуется изготовить особо гладкую деталь из твердого материала, мы можем применить заполненные особыми молекулами жидкие «мешочки», способные изменять форму под воздействием электрического поля (в какой-то степени они напоминают хорошо известные в биологии структуры, именуемые «сумками»). Регулируя вязкость этих мешочков в разных местах, мы можем по-новому организовать процесс обработки поверхностей, а именно – организовать его так, чтобы шлифующие частицы «затвердевали» или «размягчались» (под воздействием электрического поля) именно в требуемых участках обрабатываемых деталей.

20.8. Трение и прилипание

Давайте попробуем определить характерные особенности интересующих нас сверхмалых устройств. Прежде всего бросается в глаза, что их малые размеры и ничтожный вес позволяют развернуть производство в огромных количествах экземпляров. Стоимость материала в таких процессах становится совершенно несущественной, так что фактическая цена изделия зависит лишь от расходов на производство деталей и их сборку.

С другой стороны, весьма важно, что свойства микроскопических частиц существенно отличаются от свойств тех же материалов в объемной форме, поэтому, например, две особо чистые частицы металла могут просто слипнуться под воздействием сил молекулярного притяжения, в результате чего детали создаваемого механизма не смогут свободно двигаться из-за непомерно возросшего трения. Конечно, нам придется в этом случае придумывать особые методы борьбы с трением (например, покрывать металлические частицы оксидным слоем или наносить на них специальные вещества, играющие роль смазки), но такие действия, естественно, будут усложнять технологию и создавать новые проблемы.

В целостных объектах силы притяжения и трения отсутствуют, однако и в этом случае могут возникать неожиданные проблемы. Например, любые детали в микроскопическом устройстве могут «трястись» под воздействием броуновского движения до тех пор, пока вся молекулярная «конструкция» не выработает единого характера поведения, что может создавать какие-то дополнительные возможности для практического изготовления и применения таких систем.

Должен признаться, что я никак не могу выработать собственного отношения к проблеме микроскопических машин. Мне самому они кажутся очень интересными и привлекательными, но я несколько устал думать о них и с нетерпением жду, когда кто-либо найдет им, наконец, возможности полезного и эффективного применения. Как только микроустройства станут реально использоваться в промышленности, ученые и инженеры обратят на них серьезное внимание и приступят к решению множества интересных научно-технических задач.

20.9. Вычисления с использованием атомов

А теперь поговорим о возможностях создания сверхминиатюрной вычислительной техники. Со времен лекции 1959 года эта область стремительно развивалась, так что возникла совершенно новая ситуация, и я буду обсуждать только новейшие достижения и перспективы развития. Давайте спросим себя, что нам необходимо для создания компьютера?

Собственно говоря, любое вычислительное устройство всего лишь должно уметь обращаться с числами, то есть воспринимать числа в какой-то записи, обрабатывать их и выдавать ответ в считываемом виде. Поэтому первейшей задачей выступает сама возможность как-то записывать числа!