Нанотехнології

Автор квантової теорії Макс Планк і Альберт Ейнштейн.

100 років назад знаменитий фізик Макс Планк (Max Planck) вперше при відкрив двері в світ атомів і елементарних часток. Його квантова теорія дозволила припустити, що ця сфера підпорядкована новим, дивовижним законам.

Сьогодні вчені і дослідники в усьому світі вільно користуються цими законами, дозволяючи собі маніпулювати "нанокосмосом". Вони створюють кульки діаметром в 1 нанометр — одну мільярду частину метра — і створюють надписи з окремих атомів.

Ще в 1959 році, коли доопрацьована квантова механіка Планка вже зробила можливим появу атомної електростанції і вже було проведено перше ядерне бомбардування, американський фізик Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявив: "Поки ми вимушені користуватися атомарними структурами, які пропонує нам природа". І добавив: "Але в принципі фізик міг би синтезувати любу речовину по заданій хімічній формулі".

Знаменита лекція Фейнмана, відома під назвою "Там, внизу, ще багато місця" вважається сьогодні початком в боротьбі за підкорення світу атомів і молекул.

Ричард Фейнман стояв у витоків нанотехнологій: йому належить нове формулювання квантової механіки, рідкий гелій, теорія слабких взаємодій і кварн-глюона картина будови речовини.

Лекцію Фейнмана можна було б вважати курйозом з минулого, як і приз в 1000$, який він призначив тому, хто вперше запише сторінку з книги на шпильковій голівці, що, до речі, здійснилось вже в 1964 році. Але подальший прогрес так прискорив прорив в "нанокосмос", що сьогодні ця область досліджень не може залишатися непоміченою.

Саме ж поняття "нанотехніка" було введено в 1974 році японцем Норіо Танігучі (Norio Taniguchi). Перші засоби для нанотехніки були виготовлені в швейцарських лабораторіях фірми IBM. В 1982 році був створений растровий тунельний мікроскоп, за що його творці чотирма роками пізніше отримали Нобелівську премію, а в 1986 році — атомний силовий мікроскоп.

В той час, як в електронний мікроскоп атомарні розміри можна роздивитися лише при певних умовах, нові зонди дають більш точнішу картину. "Принцип атомного силового мікроскопа нагадує звичайний програвач платівок", — говорить один з його творців, Герд Бінніг.

Проте слово "мікроскоп" вводить в оману. Нанозонди дають можливість не тільки побачити світ атомів, але і змінювати його. "Растрові зонди-мікроскопи слугують посередниками між нами і наносвітом", — говорить Гаральд Фукс (Harald Fuchs), фізик з Мюнхенського університету, керівник Центра нанотехнології.

Однією з найважливіших особливостей квантової фізики наших днів являється те, що кожне спостереження — це маніпуляція зі спостережним об’єктом. Той, хто вимірює, наприклад, імпульс атому гелію, вступає у взаємозв’язок з ним і змінює його початковий стан. В растрових зондах-мікроскопах спостереження і маніпуляція стали нероздільними, як дві сторони однієї медалі: контакт ультра крихітного кінчика мікроскопа з атомом діє і на об’єкт, і на інструмент.

Те, що технізація наносвіту іде так стрімко, залежить не лише від невгамовної цікавості дослідників, яка розглядалась Фейнманом як центральним мотивом наукового пошуку. В першу чергу вона залежить від розвитку інформаційного суспільства, яке породжує величезні об’єми інформації, які повинні все швидше оброблятись.

Оскільки інформація існує в нероздільному зв’язку з реальними запам’ятовуючими приладами і процесорами, це рано чи пізно призводить до величезної проблеми недостачі місця для неї.

Сучасний кремнієвий чіп може при всіх можливих технічних хитрощах зменшуватись ще приблизно до 2012 року. Але при ширенні доріжки в 40-50 нанометрів настане кінець. Після цієї межі настає квантово-механічна перешкода: електрони пробивають розподільчі прошарки в транзисторах, що рівноцінно короткому замиканню. Виходом міг би стати наночіп, в якому замість кремнію використовуються різноманітні вуглеводні сполуки розмірами в декілька нанометрів.

Вже існують лабораторні зразки перших молекулярних електронних деталей: транзистор з крихітної вуглеводної трубочки діаметром в один нанометр. Фізики з міста Делфт, Нідерланди, змогли перетворити такі трубочки в необхідний для транзисторів контакт метал–напівпровідник.

"Нанотрубки", як ще назвали цей відкритий в 1991 році в Японії вид вуглеводу, можуть бути і тим, і іншим. При надломі такої трубки посередині одна половинка виходить з металічними властивостями, а інша – з властивостями напівпровідника. Керівник делфтської команди Сіс Деккер все ж вважає, що до промислового виробництва таких "трубочних" транзисторів ще далеко.

Комп’ютерна модель наношестерінок
(проект NASA).

Експерименти ведуться також і з фулеренами, відкритими в 1985 році молекулами вуглеводу в формі кулі. Дослідницька група з каліфорнійського університету Берклі змогла в минулому році перетворити "м’ячик" молекули С60 (атоми вуглеводу в ній розташовані в кутах п’яти – і шестикутників, утворюючи форму кусочків шкіри, з яких зшитий футбольний м’яч), зажатої між золотими електродами, в одно електронний транзистор.

Поміж тим, відомо цілий ряд органічних молекулярних груп, які можуть функціонувати як випрямляч, провідна шина чи запам’ятовуючий прилад. Для зберігання одного біта інформації теоретично потрібна всього одна молекула. Виготовлений таким чином накопичувач на жорсткому диску міг би в декілька разів перевершити по ємкості сьогоднішні аналоги.

Нано-ЗП, працюючий на механічному принципі, винайшли вчені з IBM під керівництвом Герда Бінніга (Gerd Binnig). Так названий міліпед представляє собою растр з 1024 важелів силового мікроскопа. Якщо потрібно записати "1", їх кінчики продавлюють отвір в м’якому прошарку полімеру.

Для зчитування бітів міліпед перевіряє поверхню на наявність дірочок. Якщо важіль попадає в отвір, його температура, а разом з тим і опір, змінюються, а його вже можна виміряти. Таким чином можна отримати щільність запису до 80 GB на квадратний сантиметр (порівняйте з максимально досяжною сьогодні ємкістю 8 GB/кв. см). Через 3 роки IBM виготовить міліпед з 4000 зондів, які можна буде застосовувати в новому поколінні портативної техніки. На думку Бінніга, легко можна уявити собі плату з мільйоном зондів.

Головне меню

Підменю

Нанотехнології