Реферат: Нанотехнология. Перспективы развития
Министерствообщего и профессионального образования РФ
Уральскийгосударственный технический университет
КафедраФизической и Коллоидной Химии
Реферат
Нанотехнология.Перспективы развития.
Студент: Ягодин С. И.
Группа: Х-277
Екатеринбург2003
Содержание.
1 Введение3
2 Туннельный Микроскоп7
3 Электронные элементы на основе нанотехнологий9
4 Наноботы11
5 Философия19
6 Заключение23
1 Введение
Для понятиянанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но поаналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от«микро» к «нано» — это качественный переход от манипуляциивеществом к манипуляции отдельными атомами.
Когда речь идето развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.Разработки поэтим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельныймикроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология былазначительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневнойжизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно безиспользования нанотехнических методов контроля.
На данныймомент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:
1. Медицина.Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутричеловеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения,включая генетические.
Срок реализации- первая половина XXI века.
2. Геронтология.Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярныхроботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшениятканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больныхлюдей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
Срокреализации: третья — четвертая четверти XXI века.
3. Промышленность.Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботамипредметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Срок реализации- начало XXI века.
4. Сельскоехозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных)аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будутвоспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме,однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены вселишние звенья. Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло,мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодныхусловий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительностиего хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
Срок реализации–вторая — четвертая четверть XXI века.
5. Биология.Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов.Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления»вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
Срокреализации: середина XXI века.
6. Экология.Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами,превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, засчет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходныенанотехнологические методы.
Срокреализации: середина XXI века.
7. Освоениекосмоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будетпредшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будетвыпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселениячеловеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты,соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космическиестанции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
8. Кибернетика.Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемныммикросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул.Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получатраспространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появитсябыстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которойбудет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение»человеческого интеллекта в компьютер.
Срокреализации: первая — вторая четверть XXI века.
9. Разумнаясреда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибутыокружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной длячеловека.
Срокреализации: после XXI века.
Основные этапыв развитии нанотехнологии:
1959 г. Лауреат Нобелевской премии РичардФейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами,человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующеготуннельного микроскопа — прибора, позволяющего осуществлять воздействие навещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа,позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействиес любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологическихметодов в промышленности.
Однако принятосчитать, что нанотехнология «началась» когда 70 лет назад Г. А. Гамоввпервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможностьпреодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергиячастицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием,позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденноерешение позволило понять большой круг явлений и было применено для описанияпроцессов, происходящих при вылете частицы из ядра — основы атомной науки итехники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставшихосновополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоеннескольких Нобелевских премий.
Развитиеэлектроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 летспустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки,удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев,руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ«Пульсар», предложил первые расчеты параметров и варианты использованияприборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичьрекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешнореализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основутехнологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядкананометров (1нанометр=10-9 м).
До сих порсоздание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, натехнике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельныхплоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различныхматериалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеютзначительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. Кэтим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии — донескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается роствысококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемыхобластей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируютдиффузионные процессы, «размывающие» планарные структуры. Более«холодные» технологии осаждения, типа напыления, из-заодновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста вразных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектовна их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.
Формированиеэлементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлятьметодами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления.Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызываетзначительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районеобласти фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойныхсхем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решениекоторой было найдено в 1981 году.
2 Туннельныймикроскоп.
В 1981 годукардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных — сточностью до отдельных атомов — низкоэнергетичных технологических процессов,явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделениякомпании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 годубыли удостоены Нобелевской премии.
Основойизобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемойповерхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглытуннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость токатуннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятуюнанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность ивысокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на стольмалом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящейсистемы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющейпьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор сточностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов,при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действиемнапряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя надисследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областейопределяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.
Однако кромеисследования поверхности, создание нового типа микроскопов открылопринципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Былиполучены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению взаданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.
Обычно, длятого чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом ипроводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт,что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной,меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологическихпроцессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольти даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярныхпроцессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения,а также стимулировать локальные химические реакции.
Нанотехнологическиепроцессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. Ввакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы наподложку и наоборот. Значительно большие технологические возможностиоткрываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средахпроводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумнымиустановками, расширить диапазон используемых материалов, повыситьпроизводительность технологических установок.
Напуск технологического газа или пароввещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию наповерхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельногомикроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается вадсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкойстимулирует прохождение нескольких процессов:
поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду; поляризации вещества под зондом; удаления вещества из-под зонда за счет нагрева; возникновения и поглощения плазмонных колебаний; межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества; локальных химических реакций.Данные процессыв ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильнозависит от типа применяемого вещества.
В жидких средахтакже осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакциисложнее, чем в предыдущем случае.
Синтезируяподложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава,можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис.
/>
Шириналинии букв — десятки атомов
В последние годы для работы сдиэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако онине позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, тоесть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическуюподложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов,то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершинойзонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется дляпрактических целей.
Поэтому главное направление развитиятехнологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, этосоздание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.
3 Электронныеэлементы на основе нанотехнологий.
Новые потенциальные технологическиевозможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов иэлектронных функциональных устройств, выполняющих соответствующиерадиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов снаноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронныетранзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффектыпоодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрамиданного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинствомтранзистора данного типа и функциональных приборов на его основе являетсяисключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам — наивысшиепо трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьшихразмеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатнойтемпературе. К принципиально другому типу транзисторов следует отнеститранзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов.Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричностьпараметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потомсходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона,приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствамтранзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие,достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам — наивысшие требования коднородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизациирассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. Ктретьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный наоснове нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряженияпроисходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток.Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумяпо энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простыетехнологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотногодиапазона в сотни гигагерц.
В 1993 г. было разработано новоесемейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Наэтой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такойструктуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц.
Одним из важнейших достоинствнанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможностьтрехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства уразрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковаямикроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализоватьочень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений.Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым«тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивныхинтегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратнореализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большоечисло связеймежду элементами.
4 Наноботы.
MEMS-технологиии мини-роботы Сандиа
/>Многиеэксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекциинобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году передАмериканским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризаторапозволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в еголекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронныекомпоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но еслипророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью оченьбыстро — уже в 1960-70-е годы, — то прогресс в электромеханическихмикросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты иправительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способыизготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработанатехнология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографиии инструментарий полупроводниковой промышленности.
Фактически,понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческоеприложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместноераспространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически вовсе современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитныхвоздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первыетакие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, такихкак головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компанияMotorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильнойпромышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения TexasInstruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годыудалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов,сенсоров давления и смещения — короче, множества самых разных по назначениюмеханических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом.Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздотруднее, чем полагали оптимисты.
Сейчас самойперспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, вконце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерствуэнергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросамикоммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компаниясфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах дляоптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменнаятехнология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMSTechnology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением итравлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический дляобеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размерымеханических элементов до 1 мкм.
Опыт,накопленный разработчиками Сандиа />вминиатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектныхмикроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модельавтономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объемоколо 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен изкоммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить вчетыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерныйкаркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчиктемпературы, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов.Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство ещеминиатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, послечего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач подуправлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основнойобластью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб имин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам ивысокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательныхзадач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишьна преодоление десятка метров.
Роботы «сухие»и «мокрые»
Нанотехнологии,особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях,условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокройнанотехнологией» в биологической традиции.
«Сухиенанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий — вродесканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы.Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», тоесть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий ихинститутов или щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограниченыплоскостью. Укладывание молекул друг на друга — следующая задача, которая будетрешена в ближайшие годы.
Например,исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет»общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродныхнанотрубок. С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровымикластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровыйполупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. Вближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобызахватывать отдельные крупные молекулы.
Быть может,«мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании имодификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями ксамосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь.Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярныемоторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям ужеимеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечныхнасосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют такжемикробиороботами.
Исследователямиз Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научитьсягенерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложныеструктуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники идругие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов.Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор,в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase).В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическимиэлементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобномикроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.
Как показываютпредварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечитьболее высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом,нежели системы />биологические.Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую ихфункциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихсяестественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.
Саморепликация.
Производствонанороботов всё ещё затруднено по двум причинам: проблема «толстых пальцев»-недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложностьпроектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, как ни странно, возможнорешить только при помощи самих нанотехнологий. Если для проектирования схемынужен мощный процессор, работающий на высокой частоте, то для массовой сборкинанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могутпредоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не подсилу любыми устройствами произвести количество нанороботов, соответствующеесовременной концепции их применения. Для обеспечения простейших задач,поставленных перед нанороботом, их нужны сотни, если не тысячи. На сегодняшнийдень разработка в этом направлении возможна лишь в теоретическом виде. Однакоуже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, азатем запрограммировать его. Также этот вопрос исследует философия. Дело в том,что при разговорах о репликации, самовоспроизведении роботов неизбежновозникают мысли о выходе их из-под контроля. Вплоть до того, чтонанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества поскользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот терминполучил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого SunMicrosystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли внас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, чтомикроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, вслучае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой ипожирающей все вокруг массы — «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзяназвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейшихтехнологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» — разрушительных микромашин — в качестве мощного оружия.
В ответ наподобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (РальфМеркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнологиядействительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимумустоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живыесистемы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать всложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строитьмолекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудованиясегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная досубмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали,подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. Ксожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простогофакта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство изнас, — это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматическиначинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будутподобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожина живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всегобудут столь же непохожими.
В качествеиллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему«экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесьразрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронногои молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиесяMEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука«взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталямимикронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталейсобирается роботизированная рука, способная манипулировать специальноразработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальнаясборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственнойроботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другиероботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точноизвестных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рукможет возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемыхсистемой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографическиизготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов длякоординации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию,управляющие сигналы или лишить микроробота деталей — и он будет действовать также, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный вглухой лес.
К сожалению,далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаютсяподобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа — Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаря работам в областисамосборных нанокомпозитных материалов. При его непосредственном участиидостигнуты весьма примечательные успехи в создании материалов, способных кспонтанной самоорганизации в сложные трехмерные конструкции наномасштаба.Главный же интерес исследований Бринкера, по его собственным словам, этонаучиться придавать материалам «жизнеподобные» свойства — то есть получатьтакие материалы, которые чувствуют окружающую среду и соответствующим образомреагируют, могут самоисцеляться и избегать угрожающих их существованиюобстоятельств. В двух словах, цель Бринкера — наноматериалы, занимающиепромежуточное положение между живым и неживым. Разумеется, робот из такихматериалов — это уже далеко не неуклюжий заводской манипулятор в лесной чаще.
Трезвомыслящиеученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна породить серьезные проблемы.Любая технология может быть использована для нанесения ущерба, а не только длявсеобщего блага. По масштабам будущего воздействия на человечествонанотехнологии наверняка не уступят индустриальной революции.
Вкалифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческаяорганизация «Предусмотрительный институт» (Foresight Institute) и девизом«Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава института — Эрик Дрекслер).Здесь был подготовлен набор правил «техники безопасности» для разработчиков иизготовителей молекулярных систем. Среди руководящих принципов, например,такие: искусственные системы-репликаторы не должны иметь способность квоспроизводству в естественной, неконтролируемой окружающей среде. Они должныбыть абсолютно зависимыми от источника искусственного питания или отискусственных компонентов, не встречающихся в природе. Они должны использоватькоды выявления ошибок и шифрование, предотвращающее непреднамеренные измененияв их конструкции.
Все эти правилавыкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных сценариях возможногоразвития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание развивающейся технологииэволюционирует, а значит, претерпевают изменения и рекомендации, отражаястепень осмысления учеными того, как обеспечивать безопасное развитиенанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный спектрнанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а правительства ииндустрия.
Современные разработки.
Существующиерешения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботыявляются достойными макроскопическими моделями.
ВМассачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается сериямикророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые изних оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа дляотображения и подталкивания атомов. Другие — щупами атомно-силового микроскопадля работы с непроводящими материалами. Третьи — микроманипуляторами дляперемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутносоздается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления,обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться,роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности,образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь смикророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую наверхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением иместонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает вдействие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы наконкретные молекулы или атомы.
Преимуществоподобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводитьобъект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируямикроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте — адвигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером. Надосказать, что индустрия, привыкшая к конвейерному производству, новую концепциювоспринимает с трудом.
Пьезокерамическиеножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь инаружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенногоэлектрического сигнала. Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способныноситься намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков всекунду), причем разным «аллюром» — либо семенить крошечными шагами по 2нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз. Пока что в МТИсосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно иинтегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовыхмикроскопов.
Некоторыеисследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными,добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэуправляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптическихмикроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов. Онисправляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба илизахват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чемNanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами,немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируюттакими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.
После того какуправляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретнойклетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения,находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит вдругое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно,могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя.Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквальносекунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраиватьсистему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборкивсего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операцийавтоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будутосуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведетсясовместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействиеим оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath &Weiss.
Средикрупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известнаясвоими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии ониобъясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Ужесегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера.Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическимимикропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшитьгеометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение,внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят примерс радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одномкристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всемистандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее. Благодаряинтегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать нетолько для внешней коммуникации, но и для внутренней — например, междуотдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будутсделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей.На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика иприемника.
5 Философия.
Развитие нанотехнологий ставит рядочень важных вопросов. В первую очередь философского характера.
Эдуард Теллер, один из создателейтермоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией,займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Нужно опасатьсятакого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология недолжна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощнымпотенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательнымконтролем, исключающем создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новыхтехнологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива созданияновых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезногобеспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для техиз нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».
Молекулярные нанотехнологии, которыемогут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциаломсозидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии,неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смыслепрорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеетгораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где онообычно работает лишь косвенно.
Остаётся опасность непредсказуемогоповедения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей ирассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практикаразвития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит ине собирается происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когдасистема осознает саму себя и у неё появятся собственные цели.
На современном этапе развития поведениекомпьютерных систем слишком жёстко ограничивается алгоритмическими программами.Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеровтолько сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, аорганов воздействия на окружающие предметы практически нет.
Развитие нанокомпьютеров неизбежнобудет связано с созданием нейросетей, допускающих случайные отклики на внешниевоздействия, и ростом взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростомбыстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения сознания.
Но отказ выполнять волю человека можетпроизойти не только из-за того, что наносистемы начнут проявлять свою волю,противостоящую воле человека, а из-за недостаточного понимания людьми последствийисполнения собственных желаний наносистемами. Человек не может предусмотретьвсех последствий деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности.Станислав Лем это образно описывает так: «По-видимому, когда в средеобитания появляются зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов вмашины, а от машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, егоунаследуют молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленыхмолекул, преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность ихинтеллекта настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинкепоместится умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетоввместе с их учеными советами,–тогда уже сам черт не поймет,кто кем управляет: люди шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не опресловутом бунте машин, не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когдав моде была футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но опроцессе совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности также, как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправноделают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов,начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в самом начале…И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат превосходство надлюдьми –не угрозами ине силой, но так, как ученый совет, состоящий из дважды профессоров,превосходит мальца в коротких штанишках. Ему не понять их коллективноймудрости, как бы он ни старался. И даже если он принц и может приказыватьсовету, а совет добросовестно исполняет его капризы, все равно результатыразойдутся с его ребяческими ожиданиями,–например,захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не по-сказочному, как он,несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете, но на чем-нибудь вродеаэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку даже наивысшая мудрость всилах осуществить только то, что возможно в реальном мире. И хотя мечты этогосопляка исполнятся, их исполнение каждый раз будет для него неожиданностью.Возможно, в конце концов, мудрецам удалось бы растолковать ему, почему они шлик цели не тем путем, который он им указал, ведь малыш подрастет и сможет у нихучиться; но среда обитания, которая умнее своих обитателей, не может разъяснитьим то, чего они не поймут, ведь они — скажем, наконец, прямо –слишком глупыдля этого».
Кроме самопроизвольного неподчинениясистем в силу их воли или глупости человека существует ещё много возможностейотказа наносистемы выполнить волю человека. Части этих отказов можно,теоретически избежать, другой части нельзя избежать в принципе.
Системы наномашин кто-то будетпроектировать. Разработка наносистем на начальном этапе требует огромныхзатрат труда. Естественно, люди, разработавшие наносистемы, могут предусмотретьв их программе подчинение лишь себе или покупателю, но отказ служить другимлюдям. Таким образом, мир может разделиться на две группы людей (фирм,компаний, государств). Одним наносистемы будут подчиняться, а другим не будут.
Лем о новом мире и создателяхнаносистем пишет: «Но если в этой перекроенной на новый лад гармонии что-торазладится, кто исправит ее? А так как кто-то должен ее к тому жезапроектировать и запустить в производство, это лицо или группа лиц будутсклонны самозванчески, явным или, что еще хуже, тайным образом взять себе рольГоспода Бога в этом всепредставлении».
Практически невозможно избежатьнеповиновения наносистемы, если желания нескольких человек взаимоисключают другдруга. В этом случае наносистема, исполняя приказ одного человека, не будетповиноваться другому. Но этими вопросами занимается уже теория систем.Нанороботы в этом плане ничем не будут отличаться от сегодняшних и будущихроботов, разве только нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем,несмотря на отсутствие аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены.
Развитие молекулярной нанотехнологиидаст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клетокорганизма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, какфункционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативныеизменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени.Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить»старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функциирегулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.
Но не нарушит ли человек гармонию мира,искусственным путём достигнув бессмертия? Кроме проблемы перенаселённостиЗемли, которую, в принципе, можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другиедоводы против бессмертного человека.
Во-первых, поколение людей несёт ссобой определённые моральные устои, мировоззренческие взгляды, и длительнаяжизнь одного поколения может привести к застою в развитии общества.
Во-вторых, с возрастом человекпроявляет всё меньше интереса к жизни, в нём растёт усталость, груз накопленныхзнаний и переживаний гнетёт его, так что смена поколений необходима дляподдержания активности всё время на высоком уровне.
В-третьих, опыт говорит нам, что любойразвивающийся процесс в природе имеет своё начало и свой конец. Бесконечнымможет быть лишь стационарный или циклический процесс. Так как неотъемлемыматрибутом жизни является развитие, то любой жизненный процесс рано или позднодолжен заканчиваться смертью.
Но отрицание возможности бессмертия неозначает невозможность долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений надлительность жизни человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скореевсего, можно стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшееувеличение длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроениякаждого человека лично.
«Истинному» – временномудолголетию человека можно противопоставить альтернативный вариант «внутреннего»долголетия, которое может дать молекулярная нанотехнология. В этом случае,внедрённые в мозг наносистемы так изменяют процессы мышления, что ходвнутреннего времени человека многократно ускоряется. За прежний промежутоквремени человек субъективно будет проживать во много раз больше. Но такомумозгу будет казаться, что весь мир впал в дрёму, так как для него всефизические перемещения будут выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе.Вряд ли такое долголетие придётся по вкусу многим людям.
Переделка человеческого организма сцелью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощьюмолекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем(хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Нодаже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этотшанс предоставляет крионика — замораживание организма до сверхнизких температурпосле клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточнобогатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечитьчеловека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделившихего участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что телобудет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни тогоне другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного»человека рассматривался во множестве различных произведений, отнаучно-фантастических до философских.
Заключение.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающеенаправление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности еёпоражают воображение, мощь – вселяет страх.Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе междусозиданием и разрушением. С точки зрения автора, обязательно появятся военныеи, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач,поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным.Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи,вопросы и ответы.
Сегоднякажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовыеэксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее жетехнологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники.Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология –привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимисяпрактически бесполезными на фоне нанотехнологии.
Мы используемдостижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложнопомыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим.Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающейсреды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Нанороботы вбудущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространствобудет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, скоторой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаряогромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволитпередавать информацию с невообразимой сегодня скоростью. К тому временинакопится достаточно «контента» для распространения, хотя кто знает, может бытьпо этим сетям будет передаваться и материя, ведь разработки в областителепортации также связаны с небезызвестным имненем IBM.
Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегоднянанотехнология, можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическимразработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома,набитые умной техникой, включая аресловутый холодильник с доступом в интернет.Микробототехникой занимается множество лабораторий по всему миро, например SANDIA и MEMX. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие наборту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры исистемы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Онипусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики погабаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можемоценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Списоклитературы.
1. DrexlerK. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology»; Anchor Books; 1986; www.foresight.org/EOC/index.html
2. DrexlerK. Eric; «Nanosystems»; WileyInterscience; 1992; nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html
3. DrexlerK. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future:
the Nanotechnology Revolution»; 1991; www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html
4. ПётрЛускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера» www.computerra.ru/offline/1997/218/828/
5. МихаилСоловьёв; «Нанотехнология — ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютера»
www.computerra.ru/offline/1997/218/829/
6. Бёрд Киви;«Микроботы: технология будущего сегодня»; Журнал «Компьютера»
www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/
7. SandiaNational Laboratories Official Site
www.sandia.gov
8. MEMXOfficial Site
www.memx.com
9. S.Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.
Copyleft hpf
/>
hfp@r66.ru
167718618