Эрик Дрекслер - Безграничное будущее: нанотехнологическая революция

Арнетт объясняет, что они пытались сделать: «Мы хотели посмотреть, можно ли сделать что-то в атомарном масштабе, чтобы создать механизм для хранения информации и надежного ее использования». Ответ был утвердительным. В январе 1988 года журнал «Nature» опубликовал заметку, в котором сообщал об успехе прикрепления органической молекулы к определенному месту на поверхности, используя СТМ для образования химической связи путем подачи электрического импульса через наконечник. Оказалось, что, создав и разместив однажды молекулу, можно будет вернуться и использовать другой импульс напряжения от наконечника, чтобы изменить свойства молекулы: увеличить ее, частично стереть или полностью удалить.

В IBM быстро разобралась с возможностью коммерческого использования, как объяснил Пол М. Хорн, исполняющий обязанности директора по физическим наукам в «Thomas J. Watson Research Center»: «Это означает, что вы можете создать элемент хранения информации размером с атом. В конечном счете, это может привести к хранению информации в десять миллионов раз более плотное, чем все, что мы имеем сегодня». Более широкое видение было дано другим исследователем Джоном Петика в журнале «Nature»: «Частичное стирание, о котором сообщает «Foster et al.» подразумевает, что часть молекул может быть преднамеренно удалена, а атомы их «отредактированы», тем самым демонстрируя один из идеалов нанотехнологии».

Группе Фостера удалось прикрепить отдельные молекулы к поверхности, но они не могли полностью контролировать результаты — их положение и ориентацию. Но уже в апреле 1990 года другая группа из той же лаборатории провела манипуляции с атомами еще более впечатляющие, что сделало их известными. С помощью СТМ им удалось получить надпись «IBM», выложенную тридцатью пятью точно расположенными атомами (Рис. 5). Точность молекулярной сборки достигнута полная: каждый атом сидит в углублении на поверхности кристалла никеля; он может оказаться либо в одном углублении, либо в другом, но никогда где-то между ними.

Рисунок 5. САМЫЙ МАЛЕНЬКИЙ ЛОГОТИП В МИРЕ — 35 АТОМОВ КСЕНОНА (предоставлено исследовательским отделом IBM)

Дональд Эйглер, ведущий автор журнала «Nature», в статье посвященной этой работе, ясно видит перспективу: «На протяжении десятилетий электронная промышленность стремилась строить все меньшие и меньшие структуры. Для тех из нас, кто теперь будет использовать отдельные атомы в качестве строительных блоков, задача будет другой: перемещая атом за атомом, создавать новые структуры».

Проксимальные зонды как инструмент для развития нанотехнологий, имеют как преимущества, так и слабые стороны. Сегодня их рабочие наконечники, грубо сделанные и неоднородные, как правило, даже грубее, чем показано на рисунке 4. Чтобы сформировать устойчивые связи, группа Джона Фостера использовала электрические импульсы, но результаты было трудно контролировать. Надпись «IBM», выполненная группой Дональда Эйглера, была сделана точно, но оставалась стабильной только при температурах, близких к абсолютному нулю — при комнатной температуре такие модели рассыпаются, потому что они не основаны на стабильных химических связях. Задача собрать конструкции, которые были бы одновременно стабильными и точными, по-прежнему не решена. Формирование стабильных связей в системах, собранных по точным шаблонам — следующая большая задача.

Джон Фостер говорит: «Мы занимаемся концепцией, которую называем «молекулярным стадом», используя СТМ для «стада» молекул, как я использую свою шетландскую овчарку для того, чтобы пасти овец… Наша конечная цель состоит в том, чтобы заставить одну конкретную молекулу из молекулярного стада двигаться к другой, выбранной, а затем заставить их слиться. Если бы вы могли поместить на поверхность две молекулы, которые должны стать частями наномашины, то такое воздействие на «стадо» позволило бы соединить их. Вместо того, чтобы ожидать, что нужный вам результат соединения двух молекул будет достигнут в результате случайного движения жидкости или химических реакций (как это происходит в химических и биохимических опытах), вы должны научиться управлять процессом непосредственно с помощью СТМ. И тогда вы сможете использовать СТМ, чтобы поместить молекулы туда, куда захотите». В следующей главе мы обсудим дополнительные идеи по использованию проксимальных зондов в ранних нанотехнологиях.

Проксимально-зондовые инструменты могут оказать большую помощь в создании первого поколения наномашин, но их использование принципиально ограничено: каждый инструмент огромен по сравнению с молекулами, и возможно только единичное соединение молекул. Чтобы собрать что-то большое — скажем, настолько большое, чтобы это можно было увидеть невооруженным глазом, — потребовалось бы абсурдно много времени. Устройство такого рода может добавлять в нужное место молекулу за секунду, но даже булавочная головка содержит больше атомов, чем количество секунд с момента образования Земли. Даже создание карманной библиотеки в этом случае стало бы долгосрочным проектом.

Кролики и одуванчики содержат структуры, собранные вместе из отдельных молекул, но они быстро растут и размножаются. Как? Они строят параллельно, многие миллиарды молекулярных машин в них работают одновременно. Чтобы получить преимущества такого огромного параллелизма, исследователи могут либо использовать проксимальные зонды для создания лучшей технологии следующего поколения, либо с самого начала использовать другой подход.

Методы химии и биомолекулярной инженерии уже сейчас используют параллельные методы и строят точные молекулярные структуры. Их методы, однако, отличаются от пока еще гипотетических проксимальных зондовых способов управления молекулами. Они используют молекулярные строительные блоки, сформированные для приспособления самопроизвольно, в процессе самосборки.

Дэвид Бигельсен, физик, работающий с СТМами в Исследовательском центре «Xerox Palo Alto», на конференции по нанотехнологиям заявил следующее: «Очевидно, что сборка с использованием СТМ и других вариантов должна изучаться. Но доказательством того, что сборка и самосборка могут быть осуществлены, являются биологические системы. Я не понимаю, почему нужно пытаться заменить то, что уже существует».