Продукция молекулярной нанотехнологии

В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры в основном механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонент к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что они недооценивают важность электрических, оптических и т.д. эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознается, что электрические и прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

Произведя соответствующее масштабирование, Дрекслер получил следующие численные оценки:

позиционирование реагирующих молекул с точностью ~0,1 нм;

  • - мсханосинтсз с производительностью ~106 опср/с на устройство;
  • - молекулярная сборка объекта массой 1 кг за ~104 сек
  • - работа наномеханического устройства с частотой ~109 Гц
  • - логический затвор объемом ~10-26 м3, с частотой переключения ~0,1 нс и рассеиваемым теплом ~10 21 Дж;
  • - Компьютеры с производительностью ~1016 опер/с-Вт; компактные вычислительные системы на 1015 MIPS

Нанотехнология» в биологических системах. Прежде, чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том варианте, в котором ее видят Э.Дрекслер и его последователи будет полезно получить представление о том, как работают «устройства» аналогичного масштаба в живых организмах. В рамках данного раздела приведем лишь один из наиболее ярких примеров.

АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасенную в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Последняя, используется практически всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.

АТФ-синтаза присутствует в «энергетических станциях» растительных и животных клеток - хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную конструкцию из нескольких типов единиц - белковых молекул (рис. 7.30. АТФ-синтаза). Одна из этих единиц - а-единица - прочно закреплена в мембране хлоропласта или митохондрии. Из нее выступает двойной «кронштейн» - пара b-единиц. С помощью у-единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±- и 1-единиц.

АТФ-синтаза

Рис. 7.30. АТФ-синтаза

Рядом с а-единицей в толще мембраны свободно вращается цилиндрический блок с-единиц. Очередная с-единица может захватывать протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной a-единице. С-блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица нс сблизится с a-единицей. При этом протон через имеющийся в а-сдиницс канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка. Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула - i-сдиница. Она играет роль коленчатого вала. По мерс вращения она давит на очередную I-сдиницу, заставляя се переходить из одной конформации - закрытой - в другую - открытую. В открытой конформации 1-единица захватывает пару молекул - аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. При закрытии опа с силой прижимает их друг к другу; это приводит к мсханосинтсзу ЛТФ. При очередном открытии готовая молекула АТФ выходит в окружающую среду и 1-единица готова к очередному циклу.

Таким образом, можно сказать, что АТФ-синтаза представляет собой довольно сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор - с-блок; статор - а-едипица), коленчатого вала (i-единица) и блока рабочих инструментов (1-единиц), осуществляющих механосинтез молекул АТФ из двух исходных компонент.

Интересно, что АТФ-синтаза может работать и «в обратную сторону». Если над мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже 1-единицы будут вращать с-блок через i-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким образом, «электромотор» может работать и как «электрогенератор».

Это только один из примеров расшифрованных природных наноустройств. К сожалению здесь невозможно подробно рассмотреть ряд других -таких, как «электромотор», двигающий флагеллы бактерий, «сборочный конвсйср» - рибосому, фсрмснты-«нанороботы», находящие ошибки в информации, записанной на ДНК и исправляющие их. С каждым годом мы обнаруживаем новые молекулярные механизмы, выполняющие самые разнообразные функции. Это позволяет предположить, что устройства, аналогичные по масштабам могут быть изготовлены и искусственно - то, что было сделано, может быть повторено.

Особая роль углерода. Вее живое на Земле состоит из соединений углерода. Значение этого элемента трудно переоценить. Оно определяется огромным разнообразием его форм в соединениях. Углеродные цепочки могут образовывать линейный скелет молекул, циклические и сложные объемные скелетные структуры; углерод представляет огромный интерес и в чистом виде, принимая различные формы от алмаза до молекулярных волокон и нанотрубок. Ковалентная связь углерод-углерод является наиболее прочной из известных.

До сравнительно недавнего времени известны были только две разновидности упорядоченного чистого углерода - алмаз и графит. Потом были обнаружены и другие - сначала были синтезированы молекулярные волокна, затем открыты полые сферические молекулы - фуллерены; при поиске эффективных методов синтеза последних были обнаружены углеродные нанотрубки.

Именно материалы на основе углерода Дрекслер рассматривает в качестве основных кандидатов для изготовления конструкций наномеханизмов (хотя, разумеется, свои места находят и другие элементы - водород, азот, кислород, фосфор, кремний, германий и т.д.).

Наномеханические вычисления. Миниатюризация компонент вычислительной техники, увеличение частоты их функционирования представляют собой магистральное направление развития нанотехнологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность целого ряда активных компонент - транзисторов, диодов, ячеек памяти - состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже из единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонент в единую систему, соединения их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем - вопрос времени. Оценки показывают, что компьютер, собранный из наноэлектронных компонент и по своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объем в 1 см3 - но будет работать в 107 раз быстрее (быстродействие будет ограничено возможностью отвода тепла). Компьютер (точнее, процессор + память), эквивалентный современному «Pentium» будет, предположительно, иметь объем в 10"6 см3 - 0,1 *0,1 *0,1 мм3.

Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлектронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут созданы на совершенно другой элементной базе. Дрекслер предполагает, что такой базой может стать наномеханика.

Дрекслер предложил механические конструкции для основных компонент нанокомпьютсра - ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движсние друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нанотрубок) компьютер эквивалентный современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объем в 0,01 мкм', компьютер с памятью в 1 терабайт - объем в 1 мкм3. Как и в случае с наноэлсктроникой, быстродействие наномсханичсского компьютера будет определяться возможностью отвода тепла. Расчеты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды ~300 К на один ватт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять ~1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объемом 0,01 мк3) это дает производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

Если эти показатели будут достигнуты, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы оснастить бортовым компьютером микронного размера наноустройство, например, медицинского назначения.

Молекулярный транзистор. Доктор Вернер Хофер из университета Ливерпуля и его коллеги из канадских Национального института нанотехнологий и университета Альберты впервые в мире создали транзистор, состоящий всего из одной молекулы.

Ими экспериментально подтверждено, что можно управлять электрическим потоком через одну молекулу, заряжая единственный атом на кремниевой поверхности, в то время как все атомы окружения остаются нейтральными. Электрическое поле этого атома влияет на проводимость молекулы. При этом удается менять проводимость при комнатной температуре, тогда как в прежних опытах с направлением потоков электронов по молекулярным цепочкам была необходима сверхнизкая температура.

Физики из университета Аризоны разработали модель транзистора, состоящего из одиночной молекулы, которая изображена на рис. 7.31.

Модель одпомолскулярного транзистора

Рис. 7.31. Модель одпомолскулярного транзистора

Работа нанотранзистора основана на эффекте квантовой интерференции, и поэтому он был назван QuIET (Quantum Interference Effect Transistor). Наименьший размер транзисторов, изготавливаемых современной микроэлектронной промышленностью, составляет 45 нанометров.

Новый нанотранзистор QuIET имеет длину всего один нанометр. Нанотранзистор меньшего размера до сих пор изготовить не удавалось. С помощью современной нанолитографии планируется создавать транзисторы размером нс менее 25 нанометров. При дальнейшем уменьшении кремниевых транзисторов возникают серьезные затруднения. Одно из них - увеличение теплового рассеивания при уменьшении размеров. Даже если на сверхминиатюрных транзисторах собрать ноутбук, то при включении он выйдет из строя от выделяемого транзисторами тепла, нс говоря уже о том, сколько электроэнергии он потребит за короткое время работы. Однако работа нового QulET-транзистора основана на принципах квантовой механики, и переключение устройства осуществляется с помощью контроля различных электронных потоков. В основе транзистора - кольцевая молекула бензола с двумя подключенными к ней электродами, по которым через транзистор протекает основной ток. Благодаря третьему электроду планируется открывать и закрывать транзистор. Ток, протекающий по третьему электроду, не складывается с основным, как это положено по законам электродинамики, а ведет себя, как волна, и поэтому два тока могут интерферировать между собой таким образом, что транзистор закрывается.

Одномолекулярные транзисторы будут иметь широкую область применения: в компьютерных чипах, мобильных устройствах, бытовой электронике и др.

Нанотехнология должна принципиально изменить методы изготовления материалов и устройств. Возможность синтезировать наномасштабные элементы с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революционным изменениям во многих отраслях материаловедения и промышленности. Использование наноструктур позволит получать более легкие и прочные материалы с программируемыми характеристиками, снизить стоимость эксплуатации устройств, благодаря повышению их качества, создать принципиально новые устройства, основанные на новых принципах и имеющие новую «архитектуру». В области электроники на основе нанотехнологии можно ожидать изготовление новых типов чипов (кристаллов с электронными схемами) с более высоким уровнем сложности и функциональных характеристик, сверхмощных по вычислительным возможностям и сверхминиатюрных компьютеров и в то же время очень экономных по потреблению энергии. Приведем несколько примеров.

Сверхмощные и сверхминиатюрные компьютеры. В ближайшем будущем можно ожидать значительного уменьшения размеров ЭВМ (одновременно с ростом их рабочих характеристик), что позволит создать сверхмалые или даже микроскопические вычислительные системы. Нанотехнологии позволяют производить транзисторы, электрический ток в которых соответствует движению очень небольшого числа электронов, в результате чего переключения типа включено-выключено (on-off) станут возможными за счет поведения отдельных электронов. Практически это будет означать возможность уменьшения размеров электрических цепей (и больших вычислительных систем) до предельно малых размеров, а также использование в их работе принципов квантовой механики.

Управление поведением отдельного электрона. Квантовая точка — новое понятие современной физики, означающее некоторую (искусственно созданную) область вещества, в которой можно «хранить» небольшое количество электронов.

Вообще говоря, механизм действия большинства полупроводниковых устройств и приборов (например, широко распространенных транзисторов) основан именно на регулировании потока электронов. Транзисторы имеют в настоящее время размеры в несколько микрометров и управляют движением «потока», содержащего от сотен тысяч до 1 миллиона электронов. В отличие от них, квантовые точки управляют движением лишь очень небольшого числа электронов (вплоть до управления одиночными электронами!), так что их можно назвать малоэлсктронными (или даже одноэлектронными) транзисторами. Эта особенность квантовых точек открывает перед физиками и инженерами огромные возможности для миниатюризации полупроводниковых устройств и снижения их энергопотребления. Более того, использование квантовых точек позволяет создавать приборы и устройства совершенно новых типов.

Очень важно, что квантовые точки могут образовываться в результате процессов самосборки. Если на кристаллическую поверхность кремния или арсенида галлия нанести небольшое число атомов другого вещества (например, атомов германия и т. п.), то через некоторое время можно наблюдать, как эти «чужеродные» атомы сами собираются в некоторые структуры (так называемые «островки» или островные кристаллические структуры) размером в несколько десятков нанометров. Структуры такого типа и являются квантовыми точками, представляющими собой трехмерные «ловушки» для электронов.

Типичным примером электронных устройств нового типа, связанных с нанотехнологией, могут служить упоминавшиеся выше одноэлектронные транзисторы или запоминающие устройства, работа которых определяется поведением отдельных электронов.

Одноэлектронные запоминающие устройства. Важнейшим элементом современных вычислительных машин являются динамические запоминающие устройства с произвольной выборкой (Dynamic Random Access Memory, DRAM), предназначенные для быстрого последовательного считывания информации. В простейшем варианте эти полупроводниковые запоминающие устройства представляют собой комбинацию конденсатора и переключателя (в этом качестве обычно применяется МОП-транзистор), которая позволяет сохранять в конденсаторной части (и, соответственно, при необходимости «выпускать») примерно 100 тысяч электронов, что и соответствует, например, переходу записывающей системы из состояния «0» в состояние «1». Ограниченность возможностей таких устройств, естественно, связана с их физическим объемом и размерами управляющих электрических сетей, что и стимулирует разработку методов, позволяющих осуществлять переключение состояния систсмы меньшим числом электронов, а в идеальном случае и одним-единственным электроном.

Преимущества такого подхода очевидны. Энергопотребление систем управления одиночными электронами должно, естественно, существенно сократиться. В сущности, в таких наноустройствах конденсаторы окажутся излишними, что позволит снизить размеры схем до минимума. В лабораториях фирмы Hitachi еще в 1993 году было создано первое в мире одноэлектроннос запоминающее устройство, работающее при комнатной температуре. В 1995 году оно имело объем памяти 64 бита, а к 1998 году уже работало одноэлск-троннос запоминающее устройство с объемом памяти в 128 Мбит. Ранее существовали экспериментальные запоминающие устройства такого типа, однако они могли работать лишь при сверхнизких температурах (близких к абсолютному нулю температуры). Основная заслуга специалистов фирмы Hitachi состоит именно в том, что созданное ими в 1993 году

устройство могло работать при комнатных температурах, т. е. было пригодно для практического использования. В 1998 году была достигнута достаточно высокая степень интеграции схемы, в результате чего было изготовлено одно-электронное запоминающее устройство, потребляющее при работе примерно в 100 раз меньше электроэнергии, чем существующие. В настоящее время размеры таких устройств составляют около 100 нм, причем сама квантовая точка имеет размер около 10 нм. Следует также подчеркнуть, что квантовая точка была сформирована в результате процесса самосборки атомов на поверхности очень тонкой кремниевой пластины, вследствие чего для «подключения» квантовой точки к электрической цепи потребовалось создать специальную методику. Такая сверхминиатюрная электрическая схема работает и регулирует движение отдельных электронов при комнатной температуре, что позволяет надеяться на создание в течение ближайших нескольких лет запоминающих устройств с большим объемом памяти.

Одноэлектронные транзисторы. Одноэлектронными транзисторами (Single-Election Transistors - SET) называются переключающие устройства, способные соединять или разъединять электрические цепи за счет управления движением одного электрона. В существующих транзисторах такое переключение соответствует управлению совместным движением сотен тысяч электронов, поэтому переход к одноэлектронным переключателям обещает резкое снижение энергопотребления и, соответственно, тепловыделения.

Одноэлектронный транзистор внешне выглядит как два металлических электрода, разделенных очень тонкой (нанометровой) изолирующей перегородкой, через которую могут происходить туннельные переходы электронов. По этому принципу, называемому «кулоновской блокадой», работают широко распространенные МОП-транзисторы, в которых переключение осуществляется изменением потенциала управляющего электрода (затвора).

На рис. 7.32 показана схема устройства одноэлектронного транзистора.

при котором возникает ток)

Рис. 7.32. Схема устройства одноэлектронного транзистора

Пока напряжение между управляющим электродом и истоком остается меньше некоторого порогового значения, электрон остается изолированным (как бы живущим на отдельном «острове»), однако при дальнейшем повышении напряжения (т. е. при напряжении выше порогового) «блокада» электрона прорывается, в результате чего устройство в целом срабатывает подобно обычному транзистору.

В1999 году сотрудники одной из лабораторий Национальной телекомпании NNT из последовательно соединенных на кремниевой пластине одноэлектронных транзисторов смогли создать первый в мире сверхминиатюрный инвертор, т. е. схему, способную «перебрасывать» выходное напряжение на вход. Дальнейшее развитие идеи должно привести к исключительно малым по размерам вычислительным и коммуникационным устройствам, потребляющим ничтожные количества электроэнергии.

Системы записи информации. Техника миниатюризации развилась настолько, что позволяет легко изготовлять детали схем размером около 0,2 мкм. При этом тенденция к уменьшению размеров сохраняется, поэтому можно ожидать, что линейные размеры элементов интегральных схем снизятся к 2011 году до 50 нм. Однако представляется очевидным, что существующие технологические приемы уже нс в состоянии обеспечить эффективное производство элементов электронных схем с точностью до 100 нм (не говоря уже о точности в 50 нм!).

В жестких дисках была получена исключительно высокая плотность записи, что стало сенсацией в компьютерной технике и позволило проектировщикам начать практические работы по созданию сверхмощных вычислительных устройств нового типа. Плотность записи на один квадратный дюйм площади магнитного диска уже составляет 15 Гбит и более, поэтому ожидалось, что в 2007 году она составит ~1 Тбит/кв. дюйм. Эти параметры снова выводят нас на некоторые физические пределы существующих технологий. Действительно, при плотности в 1 Тбит/кв. дюйм запись 1 бита информации соответствует промежуткам длиной около 20 нм, что невозможно реализовать ни в одной из существующих систем магнитной записи. Дело в том, что при предельной плотности записи 1 бит информации может быть связан с состоянием отдельного магнитного домена. На меньших промежутках запись станет неустойчивой из-за термических флуктуации.

С другой стороны, па цифровых видеодисках многократного использования (DVD, digital video disk) и оптических дисках (ODD, optical digital disk) плотность записи может достигать нескольких десятков Гбит и выше. Плотность записи при этом лимитируется длиной волны используемого света, так как при меньших длинах волн считывание становится невозможным (этот фактор в оптике называют дифракционным пределом разрешения).

Нанотехнология позволяет преодолеть эти сложности (за счет перехода к атомарному уровню обработки и регулирования состава материалов) и записать, например, 1 бит информации на длине порядка нескольких нм. Для этого необходимо перейти к производству новых материалов с повышенными функциональными характеристиками. Поэтому можно считать, что перспективы развития электроники определяются именно возможностями нанотехнологии.

Высокоэффективные топливные элементы. Известно, что выхлопные газы автомобилей (углекислый газ и т. д.) относятся к важнейшим факторам возникновения парникового эффекта и загрязнения окружающей среды, вследствие чего во всем мире ведутся активные поиски новых источников энергии, способных заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее перспективными в этом смысле представляются так называемые топливные элементы, особенно водородные (поскольку при сгорании водорода образуется лишь экологически безвредная вода). Развитие таких «экологически безопасных» процессов всегда сдерживалось их низкой эффективностью. Однако в последние годы химики научились создавать новые кристаллические формы углерода (так называемые наноуглеродные трубки), способные адсорбировать значительные количества водорода, что позволяет надеяться на быстрый прогресс в этом направлении.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >