Транзистор в триллион оборотов

Сколько существуют человеческие цивилизации, умение работать с природными материалами и веществами всегда было главным признаком их развития и богатства. Недаром исторические эпохи называются - каменный век, железный, бронзовый…

Сколько существуют человеческие цивилизации, умение работать с природными материалами и веществами всегда было главным признаком их развития и богатства. Недаром исторические эпохи называются - каменный век, железный, бронзовый… Да и сегодня все остается по-прежнему. А век какой? Вроде бы кремниевый. Если бы не удавалось получать сверхчистого кремния (до 10^-6% примесей), не было бы ни компьютеров, ни мобильных телефонов, не летали бы спутники, не ходил транспорт. Но кремниевый век на исходе…

Сейчас в области конструирования материалов зреет что-то разительно новое, способное быстро изменить наш мир. Исследователи на фронтире пытаются осуществить то, чем всегда бредили алхимики: соединить органическое с неорганическим. Речь, конечно, идет не о том, чтобы создавать макабрических големов из готовых природных материалов и вызревшей биологической субстанции. Примерно так: завтрашние материалы будут иметь неорганическую основу, в которую вкраплены молекулы органики, обладающие заданными свойствами, важными для конкретного приложения. Это нанотехнологии.

Говоря словами Ардена Бемента (Arden Bement), исследователя из Университета Пурдью, «восходит заря эпохи материалов en boutique, глядя на которые, Мать-Природа позеленела бы от зависти». «Нанотехнологии делают реальностью любые мечты», - слова Лэнса Хейуорта (Lance Haworth), директора группы по исследованию материалов в Национальном научном фонде США (National Science Foundation).

Привлекательность новых технологий особенно очевидна с позиций биологии: организм человека является невероятно совершенным и эффективным материальным процессором. Большая часть клеток организма содержит полный генетический код - 4 млрд. основных «пар» данных, составляющих рецепты для конструирования каждой и любой (а их более двухсот разных типов) из 10 трлн. клеток организма. Установлено, что все клетки полностью заменяются новыми каждые несколько лет, а значит, подсчитали биологи, организм человека «разматывает» нити ДНК с фантастической скоростью - 10 тыс. миль в час! И так изо дня в день, из года в год. И прежде чем нанотехнологи смогут «вдохнуть жизнь» в новые материалы, им придется немало потрудиться, выясняя фундаментальные естественные истины. Например, откуда биологические системы «знают», когда включать или выключать химические процессы? Как воспроизвести эти механизмы в синтетических средах? И как вообще совмещаются органические и неорганические системы?

Исследователи, образно говоря, слюной исходят при мысли о том, что ДНК можно использовать для конструирования чипов. На самом деле, вскоре все это будет востребовано, считает Аристидес Реквиха (Aristides Requicha), начальник лаборатории молекулярной роботехники в Университете Южной Калифорнии. Пока не очень явно, но мы уже уходим от традиционных кремниевых технологий. Цены производств сами уничтожат рынок. Сейчас строительство и оснащение новой фабрики полупроводников обходится не менее чем в 2 млрд. долларов, в будущем ограничений на стартовые вложения вообще не видно. Через десять лет фабрика чипов будет стоить 15 миллиардов. Когда технологическая норма дойдет до 0,01 мкм, вся отрасль неизбежно мигрирует в зону квантовых эффектов, а это пока еще сфера нечеловеческого бытия. Поэтому нужно думать о других путях изготовления транзисторов и проводников. Вот основной движок для развития нанотехнологий.

Наномир полон неожиданностей. Например, ученые из Массачусетского технологического института обнаружили, что если сделать «сандвич» типа «полимер - полупроводниковые наночастицы - полимер», а потом приложить к «булкам» из проводящего полимера разность потенциалов, то наночастицы начнут излучать свет в видимом диапазоне! Длина волны зависит от размеров наночастиц. Например, при среднем диаметре 1,8 нм излучается зеленый свет, при диаметре 7,5 нм -красный. В чем прелесть таких источников света? В том, что они, в отличие от светодиодов, в нашем понимании, не дискретны. Из больших блоков такой структуры можно делать видеоэкраны любых размеров.

Свойства самых обычных материалов удивительным образом изменяются в присутствии наноингредиентов. Композиты, спеченные из частиц керамики или металлов размером меньше 100 нм, имеют гораздо большую механическую прочность, нежели предсказывают существующие теории и модели. Например, металлические агрегаты с зернами диаметром 70 нм в семь раз прочнее металлов с естественной средней зернистостью в сотни нанометров. Томас Тейс (Thomas Theis), директор физических исследований IBM поясняет, что разительные перемены в свойствах веществ объясняются квантовыми эффектами, которые начинают действовать в нанометровых пространственных масштабах. Свойства массивных тел из любого материала являются следствием усреднения квантовых взаимодействий между всеми атомами тела (и кто же способен это вообразить, и тем паче сосчитать?!). Но по мере того, как размеры становятся все меньше и меньше, усреднять уже невозможно - проявляются чистые эффекты.

Удивительные возможности, рожденные нанотехнологиями, побуждают специалистов-материаловедов к дерзновенным порывам. Джеймс Хит (James Heath), специалист из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, предвосхищает построение уникальных материалов из «искусственных атомов». На самом деле, он имеет в виду конструирование атомных кластеров. Хит считает, что таким образом можно будет создавать материалы, которых вообще не существует в природе и которые не могут возникнуть в ходе химических процессов. В доказательство этого предположения исследовательская группа, которой руководит Хит, недавно создала материал, названный «хамелеоном». Откликаясь на электрические сигналы, он ведет себя в одних случаях как проводник, в других - как изолятор.

В этом году группа под руководством Джозефа Лайдинга (Joseph Lyding) из Университета Иллинойса справилась с тончайшей работой. Они закрепили молекулы углерода определенных конфигураций в нужных точках поверхности кремниевой пластины, скажем, в тех, в которых могли бы быть транзисторы обычного чипа. Атомы углерода (обратимся к механистической модели) вращаются - со скоростью триллионы оборотов в секунду (конечно же, это волны. - Шутка). И если бы, мечтает Лайдинг, удалось управлять направлением вращения атомов, то могли бы получиться переключатели в тысячи раз более быстрые, нежели кремниевые транзисторы. Этими бредовыми исследованиями сильно интересуются в Агентстве передовых оборонных проектов США. Главный венчурный капиталист всех времен и народов (именно так американцы обзывают DARPA - Defence Advanced Research Project Agency) уже выделил 10 млн. долларов на исследования «спинтроники» (spintronics), ведущиеся в Университете Буффало.

[i37418]