Реферат: Нанотехнология. Перспективы развития
<span GOST type A",«sans-serif»">Министерствообщего и профессионального образования РФ
<span GOST type A",«sans-serif»">Уральскийгосударственный технический университет
<span GOST type A",«sans-serif»">КафедраФизической и Коллоидной Химии
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Реферат
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Нанотехнология
<span GOST type A",«sans-serif»">. Перспективы развития.<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Студент:Ягодин С. И.
<span GOST type A",«sans-serif»">Группа:Х-277
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Екатеринбург2003
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:Arial;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU; mso-bidi-language:AR-SA"><span GOST type A",«sans-serif»">Содержание.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">1 Введение3
2 Туннельный Микроскоп 7
3 Электронные элементы на основе нанотехнологий 9
4 Наноботы 11
5 Философия 19
6 Заключение 23
<span GOST type A",«sans-serif»">1Введение
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">Для понятия нанотехнология,пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии ссуществующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинамипорядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельнымиатомами.
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">Когда речь идет о развитии нанотехнологий,имеются в виду три направления:
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">разработка и изготовление наномашин; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. Стех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня
<span GOST type A",«sans-serif»">эти <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">достижения мы используем в повседневной жизни: производстволюбых лазерных дисков, а тем более <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US">DVD<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> невозможнобез использования нанотехнических методов контроля.<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">
<span GOST type A",«sans-serif»">На данныймомент возможно наметить следующие перспективынанотехнологий:
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">1. Медицина. Создание молекулярныхроботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма,устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срокреализации — первая половина XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">2. Геронтология. Достижение личногобессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов,предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканейчеловеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей,которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации: третья — четвертая четверти XXIвека.
<span GOST type A",«sans-serif»">3. Промышленность. Замена традиционныхметодов производства сборкой молекулярными роботами предметов потреблениянепосредственно из атомов и молекул.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации — начало XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span GOST type A",«sans-serif»">4. Сельское хозяйство. Замена природныхпроизводителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексамииз молекулярных роботов. Они будут воспроизводить 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 все лишние звенья. Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельскоехозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться втяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решитьпродовольственную проблему раз и навсегда.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации
<span Arial",«sans-serif»">–<span GOST type A",«sans-serif»"> вторая — четвертая четверть XXI века.<span GOST type A",«sans-serif»">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.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации: середина XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">6. Экология. Полное устранение вредноговлияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщенияэкосферы молекулярными роботами-санитарами,превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, засчет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации: середина XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">7. Освоение космоса. По-видимому, освоениюкосмоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущенав околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком- сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудитиз «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции.Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">8. Кибернетика. Произойдет переход от нынесуществующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активныхэлементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеровдостигнут терагерцовых величин. Получатраспространение схемные решения на нейроноподобныхэлементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковыхмолекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным«переселение» человеческого интеллекта в компьютер.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срок реализации: первая — вторая четверть XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">9. Разумная среда обитания. За счетвнедрения логических наноэлементов во все атрибутыокружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной длячеловека.
<span GOST type A",«sans-serif»">Срокреализации: после XXI века.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-style:italic">Основные этапы вразвитии нанотехнологии:
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">1959 г.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Лауреат Нобелевской премии РичардФейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами,человечество сможет синтезировать все, что угодно.<span GOST type A",«sans-serif»">1981 г.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Создание Бинигоми Рорером сканирующего туннельного микроскопа — прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.<span GOST type A",«sans-serif»">1982-85 гг.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Достижение атомарного разрешения.<span GOST type A",«sans-serif»">1986 г.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Создание атомно-силового микроскопа,позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействиес любыми материалами, а не только с проводящими.<span GOST type A",«sans-serif»">1990 г.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Манипуляции единичными атомами.<span GOST type A",«sans-serif»">1994 г.
<span GOST type A",«sans-serif»"> Начало применения нанотехнологическихметодов в промышленности.<span GOST type A",«sans-serif»">Однако принятосчитать, что нанотехнология «началась»когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера,описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже вслучае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многиеэкспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понятьбольшой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих привылете частицы из ядра — основы атомной науки и техники. Многие считают, что заграндиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук,Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.
<span GOST type A",«sans-serif»">Развитиеэлектроники подошло к использованию процессов туннелированиялишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученымЛ. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевскойпремии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководившийсектором 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 туннелированиялегли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинамипорядка нанометров (1нанометр=10-9 м).
<span GOST type A",«sans-serif»">Досих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, восновном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев,параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои изразличных материалов с толщиной вплоть до моноатомной.Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относитсявысокая температура процессов эпитаксии — до нескольких сотен градусов, прикоторой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако необеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокиетемпературы поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, «размывающие»планарные структуры. Более «холодные» технологии осаждения, типанапыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку,одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующегообразования дефектов на их границах раздела также не позволяли создаватьбездефектные наноструктуры.
<span GOST type A",«sans-serif»">Формированиеэлементов нанометрового размера первоначальнопланировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемойметодами ионного травления. Однако высокоэнергетичныйэлектронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения вматериале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки,практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковаяситуация, решение которой было найдено в 1981 году.
<span GOST type A",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:Arial; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span GOST type A",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US">2
<span GOST type A",«sans-serif»">Туннельный микроскоп.<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">В1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных — с точностью до отдельных атомов — низкоэнергетичных технологических процессов, явилосьсоздание Г. Бинингом и Г. Рорером,сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельногомикроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии.
<span GOST type A",«sans-serif»">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 управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживатьзазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющихсигналов, при известной чувствительности пьезоманипуляторак перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой областиповерхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измеренийвысот различных областей определяют профиль поверхности с точностью доотдельных атомов.
<span GOST type A",«sans-serif»">Однакокроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открылопринципиально новый путь формирования элементов нанометровыхразмеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, ихудалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химическихпроцессов.
<span GOST type A",«sans-serif»">Обычно,для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондоми проводящей 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.
<span GOST type A",«sans-serif»">Нанотехнологические
<span GOST type A",«sans-serif»">процессы 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.<span GOST type A",«sans-serif»">Напусктехнологического газа или паров вещества, используемых в технологическойреакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя.Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки ипрактически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения междузондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов:
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">поляризации вещества под зондом; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">удаления вещества из-под зонда за счет нагрева; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">возникновения и поглощения плазмонных колебаний; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества; <span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">локальных химических реакций.<span GOST type A",«sans-serif»">Данныепроцессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результатсильно зависит от типа применяемого вещества.
<span GOST type A",«sans-serif»">Вжидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктовреакции сложнее, чем в предыдущем случае.
<span GOST type A",«sans-serif»">Синтезируяподложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава,можно создавать наноструктуры различных типов, примерпоказан на рис.
<img src="/cache/referats/14908/image001.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">
<span GOST type A",«sans-serif»">Шириналинии букв — десятки атомов
<span GOST type A",«sans-serif»">В последниегоды для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовыемикроскопы, однако они не позволяют производить локальную активацию атомов имолекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящийматериал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники набазе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал,расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а недиэлектрической, как это требуется для практических целей.
<span GOST type A",«sans-serif»">Поэтомуглавное направление развития технологии создания проводящих элементов наизолирующих материалах, это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.
<span GOST type A",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:Arial; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span GOST type A",«sans-serif»">3 Электронные элементы на основе нанотехнологий.
<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Новыепотенциальные технологические возможности нанотехнологииоткрыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональныхустройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счетособенности взаимодействия электронов с наноструктурами.К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенныеК. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночногопрохождения электронов через транзистор и управления параметрами данногопроцесса 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 нанометровыхобластей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройствпри комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следуетотнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используютсяволновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения,создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона подвум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференцияволновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронногопотока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокоебыстродействие, достигающее терагерцового диапазона,а к недостаткам — наивысшие требования к однородности материалов, выполнениекоторых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении ихпо данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторовотносится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников,в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляцияпроводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и неявляется рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению ибыстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования ктехнологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-bidi-font-family: «Times New Roman»">В 1993 г. было разработано новое семейство цифровыхпереключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основеразработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм,а рабочая частота ~ 1012 Гц.
<span GOST type A",«sans-serif»">Одним изважнейших достоинств нанотехнологии, реализующейпроцесс послойной сборки, является возможность трехмерного 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 прогрессивных интегральных схем с большимчислом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важныетипы нейронных схем, в которых доминирует большое число
<span GOST type A",«sans-serif»">связей междуэлементами. <span GOST type A",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-bidi-font-family:Arial;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span GOST type A",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">4
<span GOST type A",«sans-serif»">Наноботы<span GOST type A",«sans-serif»">.<span GOST type A",«sans-serif»; mso-ansi-language:EN-US"><span GOST type A",«sans-serif»;mso-ansi-language:EN-US">
<span GOST type A",«sans-serif»">MEMS-технологиии мини-роботы Сандиа
<img src="/cache/referats/14908/image002.jpg" align=«left» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1027"><span GOST type A",«sans-serif»">Многиеэксперты склонны отсчитывать историю микротехнологийот знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнманаи талантпопуляризатора позволили ему обрисоватьпотенциал микротехнологий в самых ярких красках: вего лекции 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 литографии и инструментарий полупроводниковойпромышленности.
<span GOST type A",«sans-serif»">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 первые такие сенсоры в 1993 году,сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть иеще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйныхпринтеров или сенсоры давления, которые компания Motorolaсотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или,скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметныхуспехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения- короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов,настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако запуститьподобные продукты в массовое производство оказалось гораздо труднее, чемполагали оптимисты.
<span GOST type A",«sans-serif»">Сейчассамой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации.Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа,принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX,занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лабораторииMEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптическихкоммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основуположена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинныйпроцесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пятьнезависимых слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя дляпостроения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединенийэлектросхемы. Технология позволяет доводить размерымеханических элементов до 1 мкм.
<span GOST type A",«sans-serif»">Опыт,накопленный разработчиками Сандиа
<img src="/cache/referats/14908/image003.jpg" align=«left» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1029"><span GOST type A",«sans-serif»">вминиатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектныхмикроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модельавтономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя роботпочти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 годуего размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина нагусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора,процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру,химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементыпитания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируетсяоборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботовсможет объединяться для совместного решения задач под управлением центральногокомпьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения такихроботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических ихимических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательныхзадач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишьна преодоление десятка метров.<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»">Роботы«сухие» и «мокрые»
<span GOST type A",«sans-serif»">Нанотехнологии
<span GOST type A",«sans-serif»">,особенно наномедицина, развиваются в двухпринципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией»в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» вбиологической традиции.<span GOST type A",«sans-serif»">«Сухиенанотехнологии» чаще всего отталкиваются от ужеимеющихся технологий — вроде сканирующих микроскопов, которые способныперемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается вформе своеобразных «нанограффити», то естьскладывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтовили щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью.Укладывание молекул друг на друга — следующая задача, которая будет решена вближайшие годы.
<span GOST type A",«sans-serif»">Например,исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий паруэлектрически управляемых углеродных нанотрубок. С помощьюэтого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанныхпроводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы.
<span GOST type A",«sans-serif»">Бытьможет, «мокрой нанотехнологии» следуетсконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул,знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору.Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системыиспользуют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтомулогично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природемеханизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов изажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуюттакже микробиороботами.
<span GOST type A",«sans-serif»">Исследователямиз Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора»,удалось научиться генерировать комплементарные нитиДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Такбыли выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всегоиз нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые генетическимодифицировали природный биомотор, в естественныхусловиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе(ATPase). В результате был изготовлен первыйгибридный наномотор с небиологическими элементами из100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическомупропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.
<span GOST type A",«sans-serif»">Какпоказывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогутобеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы
<img src="/cache/referats/14908/image004.jpg" align=«right» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1028"><span GOST type A",«sans-serif»">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.<span GOST type A",«sans-serif»">
<span GOST type A",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-bidi-font-family:Arial;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA"><span GOST type A",«sans-serif»">Саморепликация.
<span GOST type A",«sans-serif»">Производствонанороботов всё ещё затруднено по двум причинам:проблема «толстых пальцев»- недостаточная разрешающая способность современныхприборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, какни странно, возможно решить только при помощи самих нанотехнологий.Если для проектирования схемы нужен мощный процессор, работающий на высокойчастоте, то для массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могутпредоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не подсилу любыми устройствами произвести количество нанороботов,соответствующее современной концепции их применения. Для обеспечения простейшихзадач, поставленных перед нанороботом, их нужнысотни, если не тысячи. На сегодняшний день разработка в этом направлениивозможна лишь в теоретическом виде. Однако уже существуют макроскопическиероботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его. Такжеэтот вопрос исследует философия. Дело в том, что при разговорах о репликации, самовоспроизведениироботов неизбежно возникают мысли о выходе их из-под контроля.
<span GOST type A",«sans-serif»">Вплотьдо того, что нанотехнология рассматривается сейчаснекоторыми как первый шаг человечества по скользкому краю апокалиптическойямы, заполненной «серой слизью». Этот термин получил довольно широкое хождениес подачи Билла Джоя, главного ученого Sun Microsystems, опубликовавшегов журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли в насбудущее?» Джой и его идейные соратники настойчивопредупреждают, что микроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимыечеловеческому глазу, в случае выхода из-под контроля могут привести к нашествиюбезликой, липкой и пожирающей все вокруг массы — «серой слизи». Причем идею этувовсе нельзя назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборникиновейших технологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи»- разрушительных микромашин — в качестве мощного оружия.<span GOST type A",«sans-serif»">Вответ на подобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (Ральф Меркль, вчастности) 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 строить молекулярные машинные системы, похожие на микроскопическиеверсии оборудования сегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должнауметь брать и собирать молекулярные детали, подобно тому, как манипуляторызаводских роботов орудуют гайками и болтами. К сожалению, 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 нанотехнологическиерепликационные системы будут подобны биологическим. Но машины, которыеизготовляют люди, очень мало похожи на живые системы, поэтому и молекулярныесистемы производства скорее всего будут столь же непохожими.
<span GOST type A",«sans-serif»">Вкачестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводитэкспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасскойкорпорацией Zyvex.Здесь разрабатываются 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 сложнымипланарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью литографии.Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная манипулироватьспециально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил название«экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная технология,начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой пластине,которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали, заранееуложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество собранных такимметодом роботизированных рук может возрастать экспоненциально (до некоторыхпределов, понятно, накладываемых системой производства), этот процесс требует,среди прочего, литографически изготовленных деталей, а также подачиэлектроэнергии и управляющих сигналов для координации сложных движенийрук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию, управляющие сигналы или лишитьмикроробота деталей — и он будет действовать так же,как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный в глухойлес.
<span GOST type A",«sans-serif»">Ксожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий,придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистовлаборатории Сандиа — Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаряработам в области самосборных нанокомпозитныхматериалов. При его непосредственном участии д