Чудеса нанотехники. часть первая: наноначало
Ровно 100 лет назад известный физик Макс Планк (Max Planck) в первый раз немного открыл дверь в мир элементарных частиц и атомов. Его квантовая теория разрешила высказать предположение, что эта сфера подчинена новым, необычным законам.
Сейчас исследователи и учёные во всём мире вольно обращаются с этими законами, разрешая себе манипулировать «нанокосмосом». Они создают шарики диаметром в 1 нанометр — одну миллиардную часть метра — и создают надписи из отдельных атомов.
Ещё во второй половине 50-ых годов двадцатого века, в то время, когда доработанная квантовая механика Планка уже сделала вероятным появление АЭС и уже была произведена первая ядерная бомбардировка, американский физик Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявил: «До тех пор пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, каковые предлагает нам природа». И добавил: «Но в принципе физик имел возможность бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле».
Известная лекция Фейнмана, узнаваемая называющиеся «В том месте, внизу, ещё много места» считается сейчас стартовой точкой в борьбе за покорение молекул и мира атомов.
Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий: ему в собственности новая формулировка квантовой механики, жидкий гелий, теория не сильный сотрудничеств и кварн-глюонная картина строения вещества…
Лекцию Фейнмана возможно было бы посчитать курьезом из прошлого, как и приз в $1000, что он назначил тому, кто в первый раз запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в первой половине 60-ых годов двадцатого века. Но предстоящий прогресс так ускорил прорыв в «нанокосмос», что сейчас эта область изучений не имеет возможности оставаться незамеченной.
Само понятие же «нанотехника» было введено в первой половине 70-ых годов XX века японцем не сильный Танигучи (Norio Taniguchi). Первые средства для нанотехники были изобретены в швейцарских лабораториях компании IBM.
В первой половине 80-ых годов XX века был создан растровый туннельный микроскоп, за что его создатели четырьмя годами позднее взяли Нобелевскую премию, а во второй половине 80-ых годов двадцатого века — ядерный силовой микроскоп.
В то время, как в электронный микроскоп атомарные размеры возможно разглядеть только при определённых условиях, новые зонды дают более правильную картину. «Принцип ядерного силового микроскопа напоминает простой проигрыватель пластинок», — говорит один из его создателей, Герд Бинниг.
Но слово «микроскоп» вводит в заблуждение. Нанозонды позволяют не только заметить мир атомов, но и изменять его. «Растровые зонды-микроскопы являются посредником между нами и наномиром», — говорит Гаральд Фукс (Harald Fuchs), физик из Мюнхенского университета, начальник Центра нанотехнологии.
Одной из самых ответственных изюминок квантовой физики отечественных дней есть то, что любое наблюдение — это манипуляция с замечаемым объектом. Тот, кто измеряет, например, импульс атома гелия, вступает во сотрудничество с ним и изменяет его начальное состояние.
В растровых зондах-микроскопах манипуляция и наблюдение стали нераздельны, как две стороны одной медали: контакт ультракрошечного кончика микроскопа с атомом действует и на объект, и на инструмент.
То, что технизация наномира идёт так быстро, зависит не только от неуёмного любопытства естествоиспытателей, которое рассматривалось Фейнманом как центральный мотив научного поиска. Прежде всего она зависит от развития информационного общества, порождающего огромные количества информации, каковые должны всё стремительнее обрабатываться.
Потому, что информация существует в нераздельной связи с настоящими запоминающими процессорами и устройствами, это непременно ведет к огромной проблеме занимаемого ею места.
Современные кремниевые чипы смогут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё приблизительно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров наступит финиш.
Затем предела наступает квантовомеханическая помеха: электроны пробивают разделительные слои в транзисторах, что равнозначно маленькому замыканию. Выходом имели возможность бы послужить наночипы, в которых вместо кремния употребляются разные углеродные соединения размером в пара нанометров.
Имеется уже лабораторные образцы первых молекулярных электронных подробностей: транзистор из маленькой углеродной трубочки диаметром в один нанометр. Физики из города Делфт, Нидерланды, смогли перевоплотить такие трубочки в нужный для транзисторов контакт металл-полупроводник.
«Нанотрубки», как ещё назвали данный открытый в первой половине 90-ых годов двадцатого века в Японии вид углерода, смогут быть и тем, и вторым. При надломе таковой трубки посередине одна половинка получается с железными особенностями, а вторая — со особенностями полупроводника.
Начальник делфтской команды Сис Деккер (Cees Decker) вычисляет, но, что до производства таких «трубочных» транзисторов ещё на большом растоянии.
Компьютерная модель наношестеренок (проект NASA).
Опыты ведутся кроме этого и с фуллеренами, открытыми в 1985 году молекулами углерода в форме шара. Исследовательская группа из калифорнийского университета Беркли смогла в прошедшем сезоне перевоплотить «мячик» молекулы С60 (атомы углерода в ней находятся в углах пяти- и шестиугольников, образуя форму кусочков кожи, из которых сшит футбольный мяч), зажатой между золотыми электродами, в одноэлектронный транзистор.
В это же время, известен множество органических молекулярных групп, каковые могут работать как выпрямитель, проводящая шина либо запоминающее устройство. Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула.
Изготовленный так накопитель на твёрдом диске имел возможность бы многократно превзойти по ёмкости сегодняшние аналоги.
Нано-ЗУ, трудящийся на механическом принципе, изобрели учёные из IBM под управлением Герда Биннига (Gerd Binnig). Так называемый миллипед является растром из 1024 рычажков силового микроскопа.
В случае если необходимо записать «1», их кончики продавливают отверстие в мягком слое полимера.
Для считывания битов миллипед контролирует поверхность на наличие дырочек. В случае если рычажок попадает в отверстие, его температура, а вместе с тем и сопротивление, изменяются, а его уже возможно измерить.
Таким методом возможно взять плотность записи до 80 Гб на квадратный сантиметр (сравните с максимально достижимой сейчас ёмкостью 8 Гб/кв. см). Через 3 года IBM изготовит миллипед с 4000 зондов, что возможно будет использовать в новом поколении портативной техники.
Согласно точки зрения Биннига, легко возможно представить себе плату с миллионом зондов.
Продолжение направляться. Во 2-й части просматривайте: наноматериалы разлагают туалетные испарения и реализовывают крекинг сырой нефти.
