Мостик между мирами

Архив

Современные методы производства интегральных схем позволяют размещать на одном чипе более 100 миллионов транзисторов при поперечнике единичного активного вентиля 180 нанометров. Однако, в традиционной технологии, чем меньше размеры транзисторов, тем труднее их изготовить и тем выше удельные и абсолютные расходы. Большинство экспертов сомневается, что экономически целесообразно выпускать в промышленных масштабах чипы с транзисторами меньше 100 нанометров в поперечнике. К тому же при таких размерах в работу транзистора вмешиваются законы квантовой физики, которые современная интегральная схемотехника не учитывает.

Отдельные молекулы имеют размеры всего лишь несколько нанометров, что позволяет мечтать о чипах, содержащих миллиарды, да что там миллиарды! - триллионы транзисторов. Молекулярная память, коль такую удастся создать, будет обладать в миллионы раз большей плотностью хранения данных, нежели самые совершенные кремниевые чипы. Имея такую память, можно было бы запечатлевать процессы немыслимой продолжительности (например, сравнимые с человеческой жизнью) в устройствах размером, скажем, с наручные часы. А суперкомпьютеры можно было бы ткать, как одежную ткань.

Пройдет еще немало десятилетий, прежде чем описанные чудеса станут возможными - если их вообще удастся воплотить. И все же кое-какие молекулярные технологии вскоре обещают найти практическое применение. Сверхмалые дешевые молекулярные устройства могут быть использованы вместе с кремниевыми компонентами, что позволит не только уменьшить размеры транзисторов, но и снизить энергопотребление. "Кое-что из методов молекулярной электроники можно использовать уже сегодня, а завтра все это появится в RadioShack [сеть американских магазинов радиотоваров], - убежден Марк Рид (Mark Reed), один из пионеров в этой области исследований, заведующий кафедрой электротехники в Йельском университете, - и тогда удастся радикально пересмотреть экономику индустрии полупроводников".

Чтобы сделать мечту реальностью, Марк Рид, химик Джеймс Тур (James Tour) из университета Райса (Rice University) и специалисты из университета Пенсильвании учредили компанию Molecular Electronics. Команда предпочитает пока не раскрывать деталей своей работы. Тур, однако, заявил, что через пару лет возможен выпуск первого молекулярного чипа.

Объединив усилия со специалистами лос-анджелесского университета Калифорнии (UCLA), в том же направлении, что и Molecular Electronics, движется корпорация Hewlett-Packard. Стэнли Уильямс (Stanley Williams), руководящий в HP этой областью исследований, заявил, что его команда намерена в течение полутора лет создать прототип логической цепи, состоящей из заданного числа молекулярных вентилей.

Теоретически сборка молекулярных чипов дело несложное. По рецепту, который предпочитают HP и UCLA, сначала в устройстве Лэнгмюра (грубо говоря, это ванна, в которой синтезируют тонкие поверхностные пленки, так и называемые - пленки Лэнгмюра) получают расплав с очень тонким (в идеале - толщиной в молекулу) поверхностным слоем определенного органического вещества. Затем в расплав погружается кремниевая подложка будущего чипа с нанесенными на нее проводниками-электродами. Если режим выдержан, то молекулы налипнут на электроды и самопроизвольно сориентируются. На обволоч§нную молекулярным слоем подложку наносится второй слой проводников-электродов. В результате молекулы органического вещества оказываются между электродами.

Большинство органических соединений не являются проводниками или полупроводниками. И задача заключается в синтезе таких веществ, молекулы которых могли бы надежно и стабильно переключаться из состояния проводника в состояние диэлектрика. Изготовление таких веществ - искусство, которым владеют очень немногие, и среди них тот самый Джеймс Тур из университета Райса. В UCLA тоже есть мастера - Джеймс Хит (James Heath) и Фрейзер Стоддарт (Fraser Stoddart).

Первое известие о возможности практического применения молекулярных технологий появилось осенью прошлого года. Группа авторов из HP/UCLA опубликовала статью о молекулярном предохранителе-коммутаторе одноразового действия, который основан на сложной гантелеобразной молекуле вещества ротаксан (rotaxane). (Впоследствии удалось сделать из этих молекул и коммутаторы многоразового действия.)

В устройствах, созданных в HP, верхний и нижний слои проводников удалось расположить перпендикулярно, получив ортогональную решетку, в узлах которой помещались органические молекулы. Проводники имели диаметр тысяч нанометров и образовывали в узлах группы из миллионов молекул. Уильямс заявил, что к концу нынешнего года будет построена решетка с проводниками диаметром несколько нанометров и соединениями в несколько молекул.

Естественными кандидатами на роль тончайших проводников являются структуры, известные как углеродные нанотрубки. Они имеют стабильный диаметр, не превосходящий нескольких нанометров. Проблема заключается в том, что нанотрубки склонны спутываться в хаотичные клубки, - тогда как для получения сеток требуется строго регулярное расположение. Создание любой регулярной структуры с помощью нанотрубок сейчас представляет род искусства, - говорит физик Пол Мак-Юин (Paul McEuen) из университета Калифорнии в Беркли, - пока приходится просто "вываливать их на стол" и искать нужные фрагменты. И все же исследователи полны оптимизма.

Однако даже те, кто не сомневается в успехе новой технологии, расходятся во мнении о ее будущности. Небезынтересно мнение по этому поводу Марка Ратнера (Mark Ratner), химика из Северо-Западного университета (Northwest University) и отца-основателя молекулярной электроники. Он считает, что новая технология вряд ли сможет прямо конкурировать с "кремниевыми традициями" в решении задач обработки информации. Но это и не нужно: молекулярные устройства следует применять там, где эффективны их особенности. Например, Ратнер указывает на способность молекул распознавать другие молекулы и взаимодействовать с ними. Используя это свойство, можно создавать молекулярные сенсоры и активаторы, которые смогут идентифицировать биологию и химию веществ и - взаимодействовать с ними по заданной программе. Это позволит, по словам Ратнера, имплантировать биочипы, содержащие сенсоры и активаторы, в организм человека. Таким образом, появится возможность применения "молекулярной терапии".

Однако самым большим потенциалом, считает Ратнер, молекулярная электроника обладает на стыке с биологией. Она может стать тем самым кусочком, которого не хватает, чтобы сложить головоломку, мостиком между живой и неживой природой, между биологическими объектами и устройствами обработки информации.