Главная часть силового туннельного микроскопа

Работает туннельный микроскоп так. Над полупроводниковой или металлической подложкой расположена тончайшая вольфрамовая игла. Нащэяженио порядка 10 вольт создает разность потенциалов между иглой и подложкой, являющимися в данном случае как1 бы обкладками конденсатора. Причем из–за малости зазора и крошечных размеров кончика иглы напряженность электростатического поля получается весьма солидной – около 108 В/см. Оно, это поле, и является основной действующей силой туннельного микроскопа: точнее, одной из его разновидностей – атомного силового микроскопа.

Работать этот агрегат может в двух режимах. Если мы будем с помощью специальной схемы поддерживать ток и напряжение между иглой и подложкой постоянными, то при сканировании (многократном проведении) иглы над поверхностью ее придется то опускать, то приподнимать, в зависимости от рельефа. Таким образом, игла, подобно патефонной, будет копировать профиль поверхности.

Поскольку любой механический привод весьма груб, перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 вольт игла смещается на величину порядка 2–3 нанометров.

Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер поверхности. Воочию ее можно увидеть на экране дисплея, подсоединенного к туннельному микроскопу.

Кроме «микроскопии на ощупь» с помощью аналогичной установки можно формировать саму поверхность. Если игла подведена к поверхности чересчур близко даже по меркам нанотехнологии, то в локальном электрическом поле появляются силы, достаточные для того, чтобы стягивать к игле атомы, подобно тому, как к наэлектризованной стеклянной палочке притягиваются бумажки и соринки. Можно даже оторвать от поверхности одиночный атом, перенести его в другое место, а затем внедрить его тут.

Именно таким образом, например, в 1990 году специалисты фирмы «ИБМ» выложили название своего предприятия всего из 35 атомов ксенона. Но это было не более чем баловство профессионалов, так сказать, первая проба пера.

В дальнейшем нанотехнология перешла к решению проблем более серьезных.

Ассемблея ассемблеров

Большинство предметов, созданных человеком, как известно, имеют в своей структуре триллионы триллионов атомов. И для того чтобы получить из какого–то сырья полезную вещь, надо эти атомы упорядочить.

Конечно, от изготовления первых кремниевых рубил до компьютеров на кремниевых же микрочипах – дистанция огромного размера. Но суть методики всегда была одна – обрабатывая детали, мы отсекаем лишнее, пытаемся навести порядок в кристаллической структуре.

Но действуем мы пока что на макроуровне. Правда, со времен Левши мы продвинулись и в покорении микромира. Современные технологи уже научились обращаться с объектами микрометровых размеров. Те же микрочипы – тому свидетельство. В них работают группы в тысячи атомов, может быть в сотни.

Еще один шаг вниз – в наномир, то есть уменьшение объекта манипуляции еще в 1000 раз, позволит производить вещи из отдельных атомов. Или делать машины, сравнимые по размеру с крупными молекулами.

И первой областью, в которой они начнут работать, наверное, станет микро–, точнее – наноэлектроника. Дело в том, что у микросхем, изготовляемых традиционным способом, есть два фундаментальных недостатка. Во–первых, современная технология не может оперировать с элементами схем меньше сотен атомов в размере. И во–вторых, она не позволяет создавать объемные схемы, хотя это повысило бы плотность чипов в десятки раз и во столько же уменьшило их размеры. А это, в свою очередь, открыло бы возможности к созданию нейронных схем, подобных тем, что работают в человеческом мозге.

Однако настоящая революция в нанотехнологии произойдет, когда десятки, сотни «нанорук» под управлением нанокомпьютеров будут собраны в бригады, появятся первые нанозаводы, способные, следуя заданным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины.

Такие устройства некоторые специалисты стали называть ассемблерами, или сборщиками. Ну а бригады, состоящие из них, – соответственно ассемблеями.

Полагают, что лет через 10–15 такие «бригады» смогут переставлять с места на место примерно миллион атомов в секунду. За тысячу секунд, или немногим больше чем за 15 минут, ассемблер сможет скопировать самого себя. Это будет уже сопоставимо с тем временем, за какое копирует сама себя обыкновенная бактерия.

Получается, что человечество находится накануне создания искусственной жизни!

Обойдемся без ферм и заводов?

Отсюда же вытекают и другие грандиозные возможности – тонна ассемблеров сможет быстро построить тонну чего–нибудь еще. Причем конечный продукт будет иметь все свои триллионы триллионов атомов в нужных местах практический без всяких стружек и прочих отходов.

А это фактически приведет к тому, что станут совершенно ненужными все современные производства, начиная от сталеплавильных комбинатов и машиностроительных заводов и кончая агрофермами и пищевыми комбинатами. Зачем что–то растить на огороде, когда готовый продукт можно сразу вырастить в чане биореактора?..