Помоги проекту - поделись книгой:
По заявлению группы ученых из Национальной радиоастрономической обсерватории США и университета Висконсина, к Млечному Пути приближается огромное водородное облако, и после его столкновения с нашей Галактикой сформируется множество новых звезд. Впрочем, это грандиозное столкновение произойдет не раньше чем через 20 — 40 миллионов лет. Но ученые уже наблюдают, как края облака соприкасаются с границами нашей Галактики.
Облако Смита, названное так по имени открывшего его астронома Гейла Смита, известно науке еще с 1962 года. Однако до недавнего момента ученые не знали, движется ли оно в направлении Млечного Пути, либо удаляется от него. Изучив гигантское облако, астрономы установили, что его длина составляет 11 тысяч световых лет, а ширина — (2,5) тысячи световых лет. Образование, в котором достаточно водорода для формирования миллиона таких планет, как Солнце, движется по направлению к нашей Галактике со скоростью более 240 километров в секунду.
Земле предстоящее столкновение угрожать не будет, поскольку оно произойдет на расстоянии 40 тысяч световых лет от нее. По утверждению астрономов, космическая катастрофа приведет к появлению множества новых небесных тел. Образуется большое количество нового газа, который будет отличаться от уже существующего. Ударная волна приведет к резкому всплеску формирования новых звезд. Они будут огромными, но жить смогут недолго и станут взрываться, как сверхновые. Астрономы ранее предполагали, что пояс Гулда — скопление молодых массивных звезд вблизи Солнца — сформировался в результате подобного столкновения.
Группа ученых во главе с Кристианом Агрилло, психологом-экспериментатором из Университета Падуи в Италии, обнаружила у пресноводной рыбы гамбузии способность считать до четырех. Ранее было известно, что рыбы умеют отличать большие косяки от маленьких, однако теперь исследователи обнаружили, что они обладают некоторой способностью высчитывать, сколько рыб плавает рядом с ними. Это означает, что их способность к счету аналогична способностям обезьян, дельфинов и людей с ограниченными математическими способностями.
По заявлению Агрилло, в ходе исследования получены первые свидетельства того, что у рыбы есть рудиментарные математические способности. В прошлом году он и его коллеги показали, что если самец гамбузии преследует самку, то она пытается укрыться от его внимания в самом большом ближайшем косяке, демонстрируя, что рыбы в состоянии отличать большие косяки от менее крупных.
Ученые во главе с Агрилло провели серию экспериментов, чтобы проверить, к какой группе предпочтет прибиться гамбузия — к группе из 2, 3 или 4 рыб. Результаты, опубликованные на сайте BBC, посвященном естествознанию, показывают, что самки предпочитали присоединяться к группам, где рыб было больше всего, причем максимальное количество рыб в стае отличалось на одну особь — регулярно выбирая стаи из 4 рыб, а не из 3, или из 3 рыб, а не из 2.
Вторая серия экспериментов показала способность рыб оценивать более крупные числа. Рыбы не могли посчитать количества более 4, однако могли проводить различия между более крупными числами, если они отличались в соотношении 2:1.
Например, рыба может отличать группу из 16 рыб от группы из 8 рыб. Однако не видит разницы между стаей в 12 рыб и стаей в 8 рыб (соотношение 3:2). Это демонстрирует, что рыба в состоянии визуально оценивать количества больше 4, но не очень точно.
Профессор Ангело Бисацца, который возглавлял последнее исследование, заявил, что математические способности рыб в действительности находятся на одном уровне со способностями обезьян и детей в возрасте 6 —12 месяцев, которые способны визуально сосчитывать небольшие количества и оценивать более крупные, пусть и менее точно.
Взрослые используют другой механизм счета, благодаря которому они устно считают намного более крупные числа. Самое интересное, по мнению Бисацца, то, что поведение рыб аналогично тому, что наблюдается у взрослых людей с очень ограниченным словарным запасом в математической области. Например, в языке племени мундуруку, живущего в бразильской Амазонии, нет слов для обозначения чисел больше 5. Как подчеркнул Бисацца, эти ограничения в количественных задачах очень сильно напоминают то, что можно увидеть в довербальных организмах, таких как рыбы.
Значительное число животных, включая пингвинов, попугаев, енотов, хорьков, крыс, обезьян и приматов, обладают различными уровнями способности считать, слагать или вычитать числа. Большинству для этого требуется тренировка. Без нее взрослые макаки-резусы способны вычитать небольшие числа и способны представить число 0.
ГЛАВНАЯ ТЕМА
Нанопанорама «bottom-up»
Никакое государство не может быть сильным и конкурентоспособным на мировом рынке, если не будет развивать науку и, опираясь на нее, инновационную программу высоких, наукоемких технологий, востребованных обществом. При этом не менее важной компонентой должна быть адекватная образовательная программа. И только такая триада способна привести к прорывам в науке и технологиях, как это было в середине прошлого века с разработкой атомного проекта и освоением космоса в Советском Союзе. Эти примеры демонстрируют исключительную важность поддержки государством фундаментальной и образовательной составляющих национальных проектов. В XXI веке такой прорыв ожидается в области нанотехнологий, которые, несомненно, являются детищем фундаментальной науки и призваны объединить усилия ученых и инженеров самых разных специальностей: физиков, химиков, механиков, материаловедов, биологов, медиков, специалистов в области вычислительной техники и многих других. Есть основания надеяться, что реализация этого проекта приблизит ученых к еще более глубокому пониманию единства наук и законов Природы.
Итак, нанотехнологический проект получил решительную поддержку на государственном уровне, и это вселяет надежду на новый всплеск широкомасштабного развития российской науки после сравнительно длительного «затишья». А в области инновационной деятельности, скорее всего, именно этот проект может стать той стартовой площадкой, откуда Россия выйдет на мировой рынок потребительских товаров нового поколения. Нельзя, однако, забывать и о возможных социальных опасностях нанотехнологий, в том числе связанных со здоровьем людей и изменением окружающей среды. Трудно также переоценить последствия осуществления этого проекта в общецивилизационном плане. «Действующая сегодня в мире система организации и финансирования науки, — говорит директор РНЦ «Курчатовский институт», член-корреспондент РАН Михаил Ковальчук, — во многом препятствует подобным междисциплинарным работам, так как построена по отраслевому, узкоспециализированному принципу. Чтобы перейти к новой экономике, надо в корне изменить нынешнюю организацию науки. Причем это касается не только России. Страна, которая первой осознает изменение парадигмы науки и достойно ответит на нановызов, обеспечит лидерство в сфере высоких технологий, улучшение условий жизни, национальную безопасность. Сегодня это ключевой вопрос». Ставки столь высоки, что, например, американский бизнесмен Фред Кавли учредил три новые научные премии достоинством в миллион долларов каждая, одну из которых раз в два года будут вручать за работы в области нанотехнологий.
Мы уже неоднократно писали о бурном их развитии. Но успеть за потоком сообщений с научного, технологического, а теперь и с экономического и политического «фронтов» просто были не в состоянии. Однако последние события, в том числе заседание Президиума Госсовета, посвященное инновационной деятельности, побудили нас осмыслить возникшую ситуацию в «Главной теме», причем из-за ее важности — в двух номерах подряд. Сегодня мы пойдем путем, подсказанным, кстати, нанотехнологами, а именно «bottom-up» («снизу вверх»), пытаясь, пусть контурно, обрисовать панораму достижений, наработанных в этой широчайшей области, и ее перспективы. А через месяц, сменив направление, двинемся «top-down» («сверху вниз») и попробуем оценить реальность «нанопланов» с позиций «нанознатоков» — как оптимистов, так и скептиков.
Александр Волков
Очевидное — нановозможное
Нанотехнологии часто называют важнейшими технологиями XXI века (см. «З—С», 5/02, 10/06). Уже сейчас мы начинаем использовать те преимущества, которые открываются перед нами в загадочном наномире — среди атомов и молекул. Ведь это — мир особых феноменов и эффектов, которые описывает один из разделов физики — квантовая механика. Правда, пока область применения нанотехнологий — самая обыденная: их используют для производства оконных стекол, фольги, косметических кремов. Но эта приземленная практика все же не посрамляет видения футурологов, таких как Эрик Дрекслер, обещавших, что мир бесповоротно изменится, когда мы научимся манипулировать нанообъектами.
А как все начиналось! Одно невероятное на словах...
Послушайте только! Вы решили приобрести новый кухонный стол.
Выбираете модель по каталогу, указываете размеры и обращаетесь в мастерскую. Спецзаказ! Там ваш столик будет выполнен по уникальной технологии. Его соберут атом к атому, молекула к молекуле. Без винтов и дюбелей. Тэйбл получится прочным, словно стальная конструкция, и легким, как из пластмассы. Из чего же он сделан? Да никакой химик не разберет! Расположение атомов в этом материале не будет напоминать ни одно известное науке вещество.
Подобное видение «фабрики будущего» появилось в 1986 году на страницах книги Engines of Creation («Машины творения»), написанной тридцатилетним американским инженером Эриком Дрекслером. Он мечтал о грядущей промышленной революции. «Благодаря ей мы научимся контролировать поведение отдельных атомов и молекул, а также с поразительной точностью манипулировать ими». Из этих мельчайших элементов вещества можно будет собирать любые предметы. Впервые за свою историю человек станет полновластным хозяином в Микрокосмосе. Столетиями средневековые мудрецы искали философский камень, и вот теперь современная наука, как древняя алхимия, даст ученым возможность по своему хотению превращать одни предметы в другие: творить из отдельных атомов и молекул нечто новое, невиданное прежде.
Эту удивительную методу Дрекслер назвал «нанотехнологией». Слово, придуманное, кстати, не им, быстро прижилось во многих языках мира, и в последнее время стало очень модным — едва ли не «символом веры» нашего постиндустриального общества.
Адепты «нанотехнологии» обещают наступление нового «золотого века» — эпоху материального изобилия. Ведь все, что понадобится человеку, можно создать, присоединяя друг к другу в нужных пропорциях, например, атомы углерода, водорода, кислорода. Зачем выращивать стада животных или занимать поля под зерновые, если можно наладить сборку мясопродуктов и муки на любой нанофабрике? Методы нанотехнологии применимы повсюду, потому что все вокруг — и мы сами не исключение — состоит из атомов. Любые свойства предметов зависят от того, как они расположены. Размещая их на нужных местах, мы в принципе можем собрать что угодно, обращаясь с этими «кирпичиками мироздания», как с кусочками паззла. Возможности создания новых объектов кажутся поистине безграничными. По идее, эти миниатюрные машины — ассемблеры — могут конструировать из отдельных атомов даже людей! Людей, которым отныне нечего и бояться!
Разве нужно им думать о болезнях, если целая армия нанороботов будет сновать по их венам, устраняя все неполадки и ликвидируя любую злокачественную клетку, или, взяв в осаду больной орган тела, вызывать огонь лекарств на себя? В мечтах футурологов каждый из нас превратится в эдакого диктатора, которого охраняет от покушений незримая рать крохотных воинов. В таком случае недалеко и до бессмертия. Отряды космонавтов, защищенные личной гвардией нанороботов, отправятся к соседним звездам и внесолнечным планетам, засеивая космическую даль семенами земной жизни.
Правда, столь же грандиозны и видения противников «нанотехнологии по Дрекслеру». С помощью нанороботов можно установить тотальный полицейский контроль, совершать террористические акты по всему миру, вести жестокие войны, буквально в считанные часы одерживая победы над странами третьего мира...[* К обсуждению опасностей, связанных с внедрением нанотехнологии, мы вернемся в следующем номере журнала.]
Именно эти фантастические картины — поистине религиозные откровения, явленные в наш прагматичный век, — и привлекли внимание к новой научной дисциплине. Она обещала легко разрешить проблемы, одолевающие современное человечество, или. подтолкнуть цивилизацию к гибели. Те и другие видения завораживали. Прекрасное и ужасное неминуемо скрещивались, и в этом перекрестье возникала из пустоты фигура всемогущего робота — творца всех грядущих радостей и бед. Человек то возносился на недостижимую прежде высоту, превращаясь в подлинного повелителя Природы — в подобие Бога на земле, то становился жалким рабом машин, для которых его тело — только коллекция атомов и молекул, из коей можно собирать тьмы и тьмы новых роботов. Сама нанотехнология стала, как казалось многим, наукой, балансирующей на грани фантастики. К Дрекслеру же его коллеги начали относиться как к новому Азимову или Уэллсу, при этом неизменно подчеркивая: «Чтобы осознать возможности, открывающиеся перед нами в наномире, нам не обойтись без фантастических идей».
Сама по себе «нанотехнология» — расплывчатое понятие. Нередко те, кто говорит о ней, вкладывают совершенно разные смыслы. Обобщая их, можно сказать, что нанотехнология — это научное и промышленное направление, которое занимается любыми объектами размером менее ста нанометров — ста миллиардных долей метра. Ее цель — изготовление различных наноструктур или манипуляция ими. Для этого используются эффекты и феномены, которые очевидны лишь на атомарном и молекулярном уровнях.
Особенно ярко проявляются любые поверхностные эффекты. Если в мире макрообъектов многое определено их объемом, то здесь все более важными становятся именно свойства поверхности наноструктур, где и расположена большая часть атомов, составляющих их. Допустим, мы возьмем частицу диаметром 30 нанометров — лишь около пяти процентов ее атомов пребывают на поверхности частицы. Если уменьшить ее размер до 10 нанометров, то уже 20 процентов атомов находится на ее поверхности, а у частицы диаметром в один нанометр там оказывается половина всех атомов. По этой причине макрообъекты и наночастицы, изготовленные из одного и того же материала, обладают разными физическими свойствами. У последних заметно выше твердость и электропроводность, а вот температура их плавления на несколько сотен градусов ниже, чем у традиционных порошковых металлов. Или такой пример: крупицы диоксида титана рассеивают видимый свет, а наночастицы пропускают его, словно они из стекла, но зато поглощают ультрафиолетовый свет. Они представляют собой идеальный фильтр для защиты от вредного излучения.
Другая особенность заключается в том, что поведение всех структур диаметром менее 50 нанометров обусловлено, скорее, законами квантовой, нежели классической, физики. Мы покидаем территорию традиционной науки и переносимся туда, где нас подстерегает что-то неопределенное и зыбкое. Например, здесь наблюдается туннельный эффект. Благодаря ему электронам с определенной долей вероятности удается преодолевать различные барьеры — допустим, зазор, разделяющий металлическую поверхность и наконечник растрового туннельного микроскопа (более точная формулировка этого эффекта такова: «туннельный эффект — это преодоление микрочастицей потенциального барьера в том случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера». — А.В.). Кстати, с помощью того же растрового микроскопа можно не только наблюдать за отдельными атомами, но и манипулировать ими — перемещать их, формируя из них более сложные структуры.
По прошествии двух десятилетий нанотехнология превратилась в очень перспективную отрасль промышленности. Инвестиции в нее исчисляются миллиардами долларов. Все «нано» нынче в моде — от Калифорнии до Камчатки. Все чаще производители сообщают, что при изготовлении их продукции «использованы новейшие нанотехнологии». Это замечание сразу выделяет их товары из потока других, произведенных по старинке. Правда, некоторые из лаков и полимеров, содержащих высокодисперсные добавки, успешно продаются вот уже лет 30 — 40, и лишь в последние годы они стали именоваться «наноизделиями», поскольку это повышает объем продаж.
Ну, а путь к созданию «машин Дрекслера» оказался куда более долгим, чем полагал футуролог, уверявший, что к 2020 году будет развернута промышленная сборка наномашин. Многие специалисты вообще сомневаются в том, что его видения когда-нибудь воплотятся в жизнь. Правда, по страницам книг и журналов все еще блуждают призраки нанороботов, собранных из одной-другой тысячи атомов. Иные из них курсируют по кровеносным сосудам человека в поисках раковых клеток или возбудителей заболеваний, которых они же и уничтожат немедленно. На самом деле, до появления подобной флотилии, высадившейся внутри организма, еще далеко.
Зато Дрекслер и другие «гуру» нанотехнологии правы в другом: со временем их любимая технология найдет повсеместное применение. Техника становится все миниатюрнее, а потому не нужно быть и пророком, чтобы предположить, какое развитие получит нанотехнология. Она поистине будет играть ключевую роль в медицине, технике, энергетике, позволит создать более эффективные компьютерные системы, бережнее использовать природные ресурсы, успешнее бороться с болезнями. Нанотехнология проникает в нашу жизнь постепенно, исподволь вытесняя из обихода привычные прежде предметы. Как ни радикальна эта научно-техническая отрасль, ее вторжение в быт не приведет к решительной революции.
Каковы же сейчас подлинные успехи нанотехнологии? Где они, новые товары и материалы, которые изменят нашу жизнь? Опросы показывают, что у большинства и россиян, и жителей ЕС само слово «нанотехнология» пока еще вызывает ощущение, что речь идет о чем-то экзотическом, что, вероятно, войдет в наш обиход еще нескоро. Хотя в последнее время о нанотехнологии много говорится и пишется, мало кто ощутил на себе ее достижения. Гораздо больше людей, например, знакомы не понаслышке с продукцией биотехнологов.
Впрочем, в этом даже есть свое преимущество. Если трансгенных продуктов побаиваются многие, то о токсических свойствах наночастиц редко кто слышал. Вред, приносимый ими, еще мало изучен. Отношение к нанотехнологии пока самое положительное, но все может вскоре измениться: ведь когда-то ни атомная энергетика, ни генная инженерия тоже не вызывали никаких страхов у населения.
А знаете ли, что наша планета может когда-нибудь покрыться «серой слизью» — мириадами бесконтрольно плодящихся нанороботов? Эрик Дрекслер нарисовал эту мрачную картину около четверти века назад — другое дело, что многие авторитетные ученые отрицают такую возможность.
Но довольно о далеком и страшном!
На самом деле, продукция из лабораторий нанотехнологов достаточно широко входит если не в наш повседневный быт, то в обиход жителей ведущих промышленных держав, и в ближайшие годы ее ассортимент будет лишь расширяться. Нанотехнология объединяет самые разные направления исследований в области полупроводниковой физики и физики поверхностных сред, химии и информатики, медицины и генетики, машиностроения и даже пищевой промышленности. Так что ее вполне заслуженно называют «конвергентной технологией»: ведь здесь сходятся интересы сразу нескольких наук. «Нанотехнология — это плавильный тигель», — так охарактеризовал эту науку нобелевский лауреат по физике Клаус фон Клитцинг. Вглядимся же в то, что бурлит в этом тигле.
Еще в начале 1990-х годов ученые добились заметных успехов в конструировании новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Для этого они встраивали в обычные материалы наночастицы, содержавшие от нескольких сотен до тысяч атомов. Пусть эта практика и была далека от картин, начертанных футурологом, она привела к созданию различных изделий, появившихся на рынке.
Так, все популярнее становятся покрытия, содержащие наночастицы. В зависимости от выбора частиц они приобретают особые свойства. Одни покрытия невозможно поцарапать, к другим не пристает грязь, третьи не смачивает вода. Подобными материалами можно покрывать фасады домов, кузова автомобилей, унитазы, оконные стекла, черепицу. Наночастицы, добавленные в автомобильный лак, придают ему упругость и твердость. Глина, в которую подмешали эти невидимые частицы, перестает растворяться в воде.
Благодаря наночастицам новые возможности открываются и в косметологии. Например, в солнцезащитные кремы теперь добавляют частицы диоксида титана размером всего 30 — 40 нанометров, чтобы защитить кожу от ультрафиолетовых лучей. Эти частицы поглощают вредные лучи или — словно зеркала атомарных размеров — отражают их, оберегая нас от солнечных ожогов и, может быть, рака кожи. Специалисты концерна BASF еще с начала девяностых годов занимаются разработкой подобных кремов.
Современные растровые микроскопы, позволившие заглянуть в наномир, показывают нам все до мельчайших деталей. Даже идеально гладкие зубы кажутся в такой микроскоп подобием лунной поверхности; они изрезаны громадными кратерами, где гнездятся рои бактерий. Выровнять «рельеф» помогут специальные пасты, содержащие наночастицы — тонкая пленка из них затянет все выбоины и трещины эмали.
Наночастицы находят широкое применение и в химической промышленности. Они — отличные катализаторы (так называют вещества, ускоряющие химические реакции). Все дело в том, что общая площадь поверхности этих частиц необычайно велика, а потому их химические свойства выражены гораздо ярче, чем у макрообъектов, изготовленных из того же вещества. Так, если мы возьмем 30 граммов порошка, состоящего из частиц диаметром 5 нанометров, то их общая площадь поверхности примерно равна площади футбольного поля. И вдоль всего этого «поля» одно вещество вступает в реакцию с другим. А прикиньте, как мала площадь поверхности металлического шарика, весящего те же 30 граммов! И химическая реакция протекает на этот раз очень медленно.
В рентгеновских телескопах, кружащих на околоземной орбите, тоже используются наноматериалы. Поверхность подобных приборов должна состоять из нескольких очень гладких слоев толщиной не более 20 нанометров — это примерно в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Лишь такие зеркала могут в достаточном количестве отражать коротковолновое излучение.
Фирма Nano Horizons разработала даже наноноски, которые содержат крупицы серебра диаметром 30 нанометров. Эти крупицы убивают бактерии, а потому чудо-носки не пахнут потом. Приятно сесть в них у окна, положить ноги на подоконник и смотреть, как капли дождя скатываются по стеклу, подчистую смывая грязь и пыль, если, конечно, на него наклеено покрытие из наночастиц.
Вот и любители гольфа уповают на новую научную дисциплину. Американская компания Nano Dynamics выпустила мячи для игры в гольф, которые — благодаря слою из наночастиц — могут сами корректировать траекторию полета.
Впрочем, иногда приставку «нано» можно встретить даже в рекламе товаров, не имеющих ничего общего с нанотехнологией. Для их производителей это — лишь модное слово, и ничего другого. Оно позволяет привлечь и дополнительные инвестиции, и новых клиентов.
Вот так в 1970-е годы были модными приставка «микро-» (например, Microsoft), а в 1990-е годы — слово «электронная» (в английском языке в это время появляются такие термины, понятные без перевода, как eBanking, eGovernment, eBusiness).
В какой же мере российские нанотехнологии окажутся лишь удобным способом «распилить» бюджетные деньги? А в какой — подлинным технологическим прорывом? Что они принесут? Шумный успех? Или много шума из ничего?
В 1991 году физик японского концерна NEC Сумио Иидзима, проводя эксперименты, по чистой случайности открыл углеродные нанотрубки, или нанотубы (англ. «nanotube») — длинные, узкие молекулы цилиндрической формы. Длина их достигала нескольких микронов и даже миллиметров, а ширина — всего одного нанометра.
Итак, нанотрубки — это еще одна структурная форма углерода, наряду с алмазом, графитом и фуллеренами (см. «З—С», 10/06). Они отличаются рядом необычных свойств, благодаря которым их можно использовать для монтажа микросхем, создания дисплеев или миниатюрных машин. Так, они великолепно проводят и тепло, и электрический ток — лучше, чем, например, медь. Кроме того, они очень прочны. Их предел прочности на разрыв выше, чем у любого другого материала; они в сотни раз прочнее, чем сталь. С появлением этого необычного материала ученые всерьез задумались о такой фантастической идее, как космический лифт (см. «З—С», 4/07).
Атомы углерода в нанотрубках соединены в виде шестиугольников, и в зависимости от их расположения эти трубки могут обладать свойствами изолятора, полупроводника или такого же хорошего — нет, лучше! — проводника, как медь. На их основе можно изготавливать компьютерные микросхемы. Так, если кремниевые транзисторы содержат несколько миллионов атомов, то углеродные нанотрубки — всего несколько сотен. Они гораздо меньше традиционных схемных элементов и значительно дешевле их.
Проблема же в том, что при изготовлении нанотрубок мы не получаем, так сказать, «стандартных, унифицированных деталей» — образуется россыпь разносортных трубок, обладающих самыми разными электрическими свойствами. Однако этот «клубок» можно распутать. Так, Марк Велланд из Кембриджского университета, нагревая вместе с никелем колонны из фуллеренов — молекул в виде футбольного мяча, состоящих из 60 атомов углерода, — получил нанотрубки, обладавшие магнитными
свойствами. Оказавшись в магнитном поле, они располагались строго параллельно друг другу. Так нанотрубки образовали своеобразные кристаллы, представлявшие собой пучок углеродных трубок — любая из них обладала схожими свойствами.
Исследователи из Техасского университета разработали метод изготовления очень легких, прозрачных пленок, содержащих нанотрубки. Стоит пропустить по ним электрический ток, как они начинают светиться поляризованным светом. Нанотрубки можно использовать и для подсветки плоских телевизионных экранов.
Из них изготавливают также искусственные мышцы. Если изменить величину поданного напряжения всего на несколько вольт, нанотрубки растянутся или сожмутся.
Мы живем в информационном обществе. С появлением ноутбуков стало возможным проводить презентации и пресс-конференции в любой точке мира. Всюду доступен Интернет. Объемы информации, перекачиваемые по глобальным сетям, стремительно растут. Непрестанно меняется цифровая техника. Новейшие модели мобильных телефонов или видеокамер по объему памяти превосходят прежние модели ПК.
Все это произошло благодаря миниатюризации электроники. Если первая компьютерная микросхема, разработанная фирмой Intel в 1971 году, содержала 2300 транзисторов, то сейчас на схемах новейшего поколения могут разместиться многие сотни миллионов элементов. Величина самих микросхем при этом почти не изменилась, а вот транзисторы и другие схемные элементы невероятно уменьшились в размерах.
Еще в 1964 году эту тенденцию предсказал основатель компании Intel Гордон Мур. Согласно названному его именем «закону Мура», количество транзисторов, размещенных на микросхеме, удваивается раз в полтора года. На протяжении четырех десятилетий этот закон неизменно выполнялся — благодаря изощренным изобретениям, позволявшим вновь и вновь уменьшать размеры деталей. Десятки слоев, содержащих те же транзисторы и конденсаторы, располагались один над другим. Достигалось это путем термовакуумного напыления, экспонирования, травления.
Все это время главным материалом микроэлектроники оставался кремний. Размеры схемных элементов, изготавливаемых из него, давно уже исчисляются в нанометрах, хотя они и получены традиционным литографическим способом. Например, длина транзисторов сейчас достигает 65 нанометров, а, по прогнозам специалистов, к 2015 году уменьшится до 22 нанометров.
Это достижение будет означать одновременно и «крах надежд»: ведь добиться дальнейшего уменьшения микросхем, используя современные технологии и материалы, невозможно. Время кремниевой электроники близится к концу. Элементы микросхемы станут настолько малы, что их надежной работе помешают квантовые феномены — прежде всего туннельный эффект. Электроны поведут себя как им заблагорассудится. Любые слои изоляции окажутся бесполезны — электроны будут перемахивать через них с легкостью мальчишек, перепрыгивающих барьеры.
Итак, законы квантовой физики ставят предел использованию традиционных полупроводниковых элементов, да и изготавливать их традиционным способом будет уже нельзя. Выручить может феномен, хорошо известный в квантовом мире. Он называется «самоорганизацией». Молекулы и атомы могут сами образовывать различные структуры — достаточно подать им сигнал — например, поместить хаотическое скопление атомов в электрическое или магнитное поле. И тогда они быстро сгруппируются, превращаясь в миллиарды элементов, которые можно использовать как транзисторы или запоминающие устройства. Впрочем, пока еще ученые недостаточно понимают процессы, ведущие к самоорганизации, а потому не могут ими управлять.
Переход к наноэлектронике требует появления новых идей и концепций, разработки новых промышленных методов и материалов. В различных лабораториях мира работают над созданием первых опытных образцов наноэлектронных элементов. Уже есть кандидат, готовый потеснить кремний или даже заменить его: те самые углеродные нанотрубки. Они очень компактно размещаются на микросхемах. Их сопротивление в двадцать раз меньше, чем кремниевых элементов, а потому во время работы они почти не нагреваются. Они могут выдержать даже силу тока в двести раз выше, чем современные транзисторы. Их теплопроводность также высока, а потому они будут не только выполнять вычислительные операции, но и отводить избыточное тепло.
В 2003 году сотрудники компании Infineon — их работой руководил Франц Кройпль — впервые сумели создать надежно работающий транзистор из нанотрубок. Его проводящий слой состоял из трехсот параллельно расположенных трубочек. Осенью следующего года сотрудникам той же компании удалось изготовить транзистор из нанотрубок, который оказался всего на четверть больше самого маленького из современных транзисторов.
Поделиться книгой: