Величайшие рукотворные чудеса

  
Скатерть-самобранка
 
Не поверите, но увидеть сказочную скатерть-самобранку можно уже сегодня. Причем за ней вовсе не надо лететь за тридевять земель на ковре-самолете или топать в тех же сапогах-скороходах. Да и само «тридевятое царство, тридесятое государство» выглядит вполне современно – этакий небоскреб из стекла и бетона, на этажах которого, в сверхчистых лабораториях, где наперечет все пылинки, и творят свои чудеса нынешние кудесники-нанотехнологи.
Нанотехнология – так называется новая революционная отрасль современной техники. Приставка «нано» происходит от греческого слова nannos – карлик (отсюда нанометр – одна миллиардная доля метра).
Этот термин появился в середине XX века благодаря нобелевскому лауреату, известному физику Ричарду Фейнману. Он еще в 1959 г. стал говорить, что человечество скоро научится манипулировать отдельными атомами, молекулами или живыми клетками и сможет синтезировать все, что угодно.
Самому Фейману не удалось дожить до осуществления своей мечты. И будущие открытия в этой области оказались связаны с именем другого американца – Эрика Дрекслера.
В 1977 г. Эрик был студентом и мечтал о колонизации далеких миров и планет. Однако к моменту окончания учебы выяснилось, что с полетами к звездам придется пока погодить – нет у нас на то ни соответствующей технологии, ни подходящей техники.
И тогда Эрик решил колонизировать… самого человека. Он предложил сконструировать молекулярные машины – своеобразные искусственные биологические молекулы, работающие в живых клетках. Позднее они станут известны под именем ассемблеров.
Предложить-то предложил, но опять-таки мечта уперлась в технологические проблемы. Впрочем, на сей раз Дрекслеру повезло больше…
В 1981 г. ученые швейцарского отделения всемирно известной фирмы IBM изобрели силовой туннельный микроскоп. Благодаря этому новшеству стало возможным манипулирование мельчайшими частицами материи – с помощью силовых полей исследователи получили возможность переносить из одного места в другое даже отдельные атомы.
Работает он так. Над полупроводниковой или металлической подложкой расположена тончайшая вольфрамовая игла. Напряжение порядка 10 вольт создает разность потенциалов между иглой и подложкой, являющимися в данном случае как бы обкладками конденсатора. Причем из-за малости зазора и крошечных размеров кончика иглы напряженность электростатического поля получается весьма солидной – около 10,8 В/см. Оно, это поле, и является основной действующей силой туннельного микроскопа: точнее, одной из его разновидностей – атомного силового микроскопа.
Работать этот агрегат может в двух режимах. Если мы будем с помощью специальной схемы поддерживать ток и напряжение между иглой и подложкой постоянными, то при сканировании (многократном проведении) иглы над поверхностью ее придется то опускать, то приподнимать, в зависимости от рельефа. Таким образом, игла, подобно патефонной, будет копировать профиль поверхности.
Поскольку любой механический привод весьма груб, перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подачи на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 В игла смещается на величину порядка 2–3 нанометров.
Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер подстилающей поверхности. Воочию ее можно увидеть на экране персонального компьютера, подсоединенного к туннельному микроскопу.
Кроме «микроскопии на ощупь», с помощью аналогичной установки можно формировать саму поверхность. Хорошо известно, что электрическое поле влияет на характер диффузии – проникновения атомов со стороны в приповерхностные слои вещества. Если игла подведена к поверхности чересчур близко даже по меркам нанотехнологии, то в локальном поле появляются силы, достаточные для того, чтобы стягивать к игле атомы, подобно тому, как к наэлектризованной стеклянной палочке притягиваются бумажки и соринки. Увеличив поле, можно даже оторвать от поверхности одиночный атом, перенести его в другое место, а затем внедрить его тут, сменив полярность напряжения на игле так, чтобы атом теперь, напротив, отталкивался от нее.
  
Именно таким образом, например, в 1990 г. специалисты фирмы IBM выложили название своего предприятия всего из 35 атомов ксенона. Но это было не более чем баловство профессионалов, так сказать, первая проба пера.
В дальнейшем нанотехнология перешла к решению проблем более серьезных.
Большинство предметов, созданных человеком, как известно, имеют в своей структуре триллионы триллионов атомов. И для того чтобы получить из какого-то сырья полезную вещь, надо эти атомы упорядочить.
Конечно, от изготовления первых кремниевых рубил до компьютеров на кремниевых же микрочипах – дистанция огромного размера. Но суть методики всегда была одна – обрабатывая детали, мы отсекаем лишнее, пытаемся навести какой-то порядок в кристаллической структуре.
Но действуем мы пока что на макроуровне. Правда, со времен Левши мы продвинулись и в покорении микромира. Современные технологи уже научились обращаться с объектами микрометровых размеров. Те же микрочипы – тому свидетельство. В них работают группы в тысячи атомов, может быть в сотни.
Еще один шаг вниз – в наномир, то есть уменьшение объекта манипуляции еще в тысячу раз, позволит производить вещи из отдельных атомов. Или делать машины, сравнимые по размеру с крупными молекулами.
И первой областью, в которой они начнут работать, наверное, станет микро-, точнее, наноэлектроника. Дело в том, что у микросхем, изготовляемых традиционным способом, есть два фундаментальных недостатка. Во-первых, современная технология не может оперировать с элементами схем меньше сотен атомов в размере. И во-вторых, она плоская. То есть не позволяет создавать объемные схемы, хотя это повысило бы плотность чипов в десятки раз и во столько же уменьшило их размеры. А это в свою очередь открыло бы возможности к созданию нейронных схем, подобных тем, что работают в человеческом мозге.
Первые шаги в этом направлении уже сделаны! Еще в 1998 г. датские ученые продемонстрировали атомный триггер, состоящий из… одного атома кремния и двух атомов водорода. Современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать бит информации с помощью одного электрона. А там уже и до искусственного разума рукой подать.
Однако настоящая революция в нанотехнологии произойдет, когда десятки, сотни «нанорук» под управлением нанокомпьютеров будут собраны в бригады, появятся первые нанозаводы, способные, следуя заданным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины.
Такие устройства некоторые специалисты называют ассемблерами, или сборщиками. Ну а бригады, состоящие из них, – соответственно ассамблеями.
Полагают, что лет через 10–15 такие «ансамбли» смогут переставлять с места на место примерно миллион атомов в секунду. За тысячу секунд, или немногим больше чем за 15 мин, такой ассемблер сможет скопировать самого себя. Это будет уже сопоставимо с тем временем, за какое копирует сама себя обыкновенная бактерия.
Получается, что человечество уже накануне открытия возможности создания искусственной жизни!
Отсюда же вытекают и другие грандиозные возможности – тонна ассемблеров сможет быстро построить тонну чего-нибудь еще. Причем конечный продукт будет иметь все свои триллионы триллионов атомов в нужных местах практически без всяких стружек и прочих отходов.
А это фактически приведет к тому, что станут совершенно ненужными все современные производства, начиная от сталеплавильных комбинатов и машиностроительных заводов и кончая агрофермами и пищевыми комбинатами. Зачем что-то растить на огороде, когда готовый продукт можно сразу вырастить в чане биореактора?..