Владислав Фельдблюм



Pdf просмотр
страница9/16
Дата16.02.2017
Размер6.38 Mb.
Просмотров1759
Скачиваний1
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   16
2.5. Наноразмерные приборы и устройства

Создание наноприборов и наноустройств связано, прежде всего, с новыми мембранными технологиями. В Массачусетском технологическом институте
(США) разработаны пленки-мембраны из дендримеров для разделения жидкостей и газов. Для этого синтезированы дендримеры с заданным размером внутренней полости, а к дендронам присоединены необходимые для адсорбции функциональные группы. С этой же целью проведены разработки по формированию пор в пластинке из нитрида кремния толщиной
500 нм, нанесенной на подложку из кремния [25]. Показано, что с помощью пучка ионов Ar
+
можно формировать отверстия размером от 1,8 до 60 нм.
Эти результаты весьма важны для изготовления в будущем селективных мембран и различных наноустройств.
С той же целью продемонстрирована возможность прямого структурирования самоорганизованных монослоев наночастиц с помощью электронного луча. На поверхности кристалла кремния, модифицированного аморфным слоем Si
3
N
4
, наносили самоорганизованный слой наночастиц (5,5 нм) золота, стабилизированных додекантиолом. Монослой подвергали воздействию электронного луча, который удалял с поверхности наночастиц молекулы додекантиола. «Оголенные» частицы смывали с подложки растворителем. В результате этих манипуляций на подложке формировалась

141 структура, «нарисованная» электронным лучом [26]. Для иллюстрации возможностей этого и аналогичных методов приводим рисунок с текстом, написанным в 2002 году в США при помощи атомно-силового микроскопа.
Текст нанесен молекулами меркаптанов на поверхность золота (ширина линии 60 нм, ширина буквы 400 нм).
Методом самосборки получены наночастицы, на которых сначала был образован слой из асенида галлия, а затем на нем методом избирательного травления с помощью зонда атомно-силового микроскопа были размещены нанопроволоки из арсенида индия. Длина, ширина и толщина нанопроволок имели типичные значения соответственно 50-300, 20-100 и 10-30 нм.
Оказалось, что полученные наноструктуры проводят электрический ток и могут быт использованы при изготовлении различных наноразмерных электромеханических устройств [27].











Текст, написанный молекулами меркаптанов на поверхности золота с
помощью атомно-силового микроскопа.



142


Надпись, сделанная стабилизированными наночастицами золота с
помощью атомного силового микроскопа



К числу достижений относится и получение нового класса синтетических мембран, состоящих из пористой полимерной подложки на основе промышленного микропористого поликарбоната с цилиндрическими порами и ансамблями нанотрубок золота. Последние получали методом осаждения золота на стенках пор. Полученные нанотрубки золота имели размер порядка 1 нм. Свойствами таких нанотрубок можно управлять путем хемосорбции тиолов. В перспективе эта и другие разработки в данной области могут приобрести большое значение для развития мембранных технологий [28].
Особый интерес представляют наномеханические устройства на основе дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Они разрабатываются в университете Дортмунда (Германия). Не имея возможности комментировать в настоящей книге эти, в высшей степени интересные, разработки, рекомендуем читателю первоисточник [29].
Всевозможные наноприборы и наномашины станут в будущем обычным делом. Среди них – актуаторы, преобразующие электрическую энергию в механическую, или наоборот. Известно, что однослойные углеродные нанотрубки при сообщении им электрического заряда деформируются. Создан основанный на этом свойстве актуатор, использующий лист из однослойных углеродных нанот рубок, продольные оси которых лежат в плоскости листа, но случайным образом разориентированы друг относительно друга. Актуатор состоял

143
из полос размером 3 х 20 мм и толщиной 25 — 50 мкм. Две полоски соединялись друг с другом с помощью двустороннего скотча. Изолирующий пластиковый зажим скреплял листы сверху и фиксировал электрические контакты. Листы помещали в электролит из одномолярного раствора NaCl . Несколько вольт при- ложенного напряжения вызывают отклонение на конце актуатора до сантиметра, которое меняет направление на противоположное при изменении полярности напряжения. Подключение переменного напряжения вызывает колебания кантилевера. Хотя электронно-лучевую литографию можно использовать для получения кремниевых структур размером -10 нм и менее, производство наномашин в сколько-нибудь значительных количествах пока не организовано. Прежде чем будет достигнут существенный прогресс в технологии, необходимо преодолеть ряд трудностей. Первая проблема — это связь с наноустройством и определение его положения. Вторая сложность состоит в скудности имеющихся сведений о механическом поведении объектов, у которых до 10% атомов находятся на или около поверхности.




Схема актуатора, состоящего из двух листов однослойных нанотрубок,
удерживаемых вместе двусторонним скотчем. На рисунке показано
состояние при положительном напряжении (справа), нейтральное
состояние (в центре) и состояние при отрицательном напряжении (слева).

Огромный интерес представляют одномолекулярные наномашины. Они открывают фантастическую возможность осуществлять превращение одного вид энергии в другой всего лишь на одной молекуле. Нетрудно представить себе, сколько таких «машин» может быть совмещено в миниатюрном наноустройстве и какие перспективы это открывает для самых разных отраслей техники будущего. Поясним это на одном примере.



144

Молекула азобензола при облучении светом длиной волны 313 нм может изменить свою конфигурацию с транс-изомерной на цис-изомерную. Облучая цис-изомер светом с длинной волны более 380 нм, можно вернуть цис-форму в первоначальную транс-форму. Эти две формы различаются оп тическим спектром поглощения. Заметим, что цис-изомер короче, чем транс-изомер. Азобензол можно полимеризовать, и в полимерной форме он также может подвергаться транс-цис превращению под действием 365-нанометрового излучения. Когда это происходит, длина полимерной цепочки уменьшается. Группа из Мюнхенского университета построила молекулярную машину, основанную на фотоизомеризации азобензольного полимера. Они прикрепили молекулу полимера в транс-форме к кантилеверу в атомном силовом микроскопе, а затем облучили его светом с длиной волны 365 нм, заставив полимер сжаться и изогнуть балку. Облучение светом с длинной волны 420 нм возвращает полимер в транс-форму, позволяя балке вернуться в исходное положение. При попеременном облучении полимера импульсами света 420 и 365 нм балка будет совершать колебания.
Это
— демонстрация искусственной одномолекулярной машины, которая преобразует энергию света в физическую работу.









Молекула азобензола, подвергаясь цис-транс-изомеризации при облучении,
позволит создать наномашину для прямого преобразования световой
энергии в механическую работу



145

На том же принципе основана и другое наноустройство – «молекулярная пружина». Она может сплетаться или расплетаться, многократно переходя в стандартные запрограммированные состояния. Одно из таких устройств, разработанное исследователями из Японии, может поворачивать микроскопические объекты в заданном направлении.




Уже синтезированы молекулы, способные имитировать работу мышц и перемещать объекты на наноуровне. Однако разработка молекулярных двигателей, способных инициировать вращение в определенном направлении
– по часовой или против часовой стрелки, представляет собой гораздо более сложную задачу. Йосио Фурусо (Yoshio Furusho), работавший над этим проектом в Университете Нагойи, отмечает, что расширение и сжатие полученной ими молекулы напоминает движение макроскопической пружины. Нанопружина состоит из двух полимерных цепей, связанных между собой отрицательно заряженными мостиковыми боратными группами.
Введение в систему положительно заряженных ионов натрия приводит к тому, что катионы натрия взаимодействуют с борат-анионами, в результате чего отрицательный заряд на боратных фрагментах компенсируется, электростатическое отталкивание между ними ослабевает, и боратные группы сближаются. Эти процессы приводят к тому, молекула сжимается примерно на 50% от своей исходной длины. В процессе удлинения молекулы две цепи полимера изгибаются, образуя подобие двойной спирали, такое изменение конформации полимерных молекул приводит к вращению молекулы. Применение в качестве связывающего мостика боратного фрагмента позволяет добиться однонаправленного вращения
«нанопружины». Для того, чтобы молекулярная пружина вернулась в исходную форму, необходимо удалить ионы натрия, что можно сделать с помощью полидентатного лиганда, как, например, криптанда. Фурусо заявляет, что в настоящее время в его исследовательской группе работают над инкорпорированием двойной спиральной пружины в органогели и жидкокристаллические материалы, надеясь на то, что изменения на наноуровне приведут к изменениям в макроскопической системе.

146

Появляются сообщения, в правдободобие которых с трудом верится.
Одно из них гласит, что «наноприбор разогнал свет до бесконечности»
http://www.poan.ru/nauka/1837-nanosvet




В этом сообщении утверждается, что ученые из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме и из Пенсильванского университета создали наноразмерное устройство, которое разогнало свет до бесконечной скорости. Скорость света в вакууме является постоянной величиной и составляет 300 000 000 метров в секунду. Эта скорость считается максимумом, с которым может двигаться любое материальное тело. Но в некоторых прозрачных средах, в воде или в стекле, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Различие между скоростями света в вакууме и в другой среде , в науке называется "показателем преломления", значение которого отражает насколько свет замедляется или ускоряется, проходя через границу между двумя средами. Именно "играя" с различными материалами и значениями их показателей преломления, ученым удалось создать оптическое устройство, своего рода метаматериал, имеющий показатель преломления, равный нулю. А это означает, что свет, попадая в такой материал, начинает распространяется с бесконечно большой скоростью.

147
Наноустройство представляет собой прямоугольный кристалл из диоксида кремния, стекла, имеющий толщину 85 нанометров и длину 2000 нанометров. Со всех сторон кристалл окружен слоем серебра, не позволяющим свету покинуть пределы кристалла. Из-за малых размеров устройства, свет, попавший в объем кристалла, ведет себя очень необычным образом. Он многократно отражается, складывается сам с собой, образуя стоячие волны, что приводит к возникновению темных и ярких областей в кристалле. При длине волны подаваемого в кристалл света, превышающей определенное значение, весь кристалл становится темным, но на одной особой длине волны весь кристалл начинает ярко сиять по всему объему. По мнению ученых, это означает, что все фотоны света движутся с бесконечно большой скоростью.
Ещё одно впечатляющее наноустройство – наноробот, способный сибирать конструкции из молекул. Профессор Надриан Симан из Нью-Йорка в сотрудничестве с китайскими учеными из Университета Нанкина создал прототип наноробота, обладающего «туловищем» и двумя «конечностями», способного взаимодействовать с индивидуальными молекулами. По словам разработчиков, созданный робот может собирать молекулы вещества в заданные конструкции или размещать их по определенному алгоритму.



148





Наноробот представляет собой конструкцию размером 150х50х8 нанометров.
Примерно такими же размерами обладает красная кровяная клетка человека.
Несмотря на такие крошечные размеры, робот обладает встроенным механизмом коррекции ошибок, который позволяет ему работать со 100%- ной точностью. До сих пор точность молекулярных манипуляций составляла
60-80%.
Исследователи говорят, что благодаря молекулярным манипуляциям, робот в будущем сможет буквально вручную собирать органические соединения, такие как ДНК человека, или неорганические, такие как транзисторы. Кроме того, робота можно использовать в медицине для удаления злокачественных новообразований или адресной доставки лекарств.




149



2.6. Наноэлектроника и молекулярные компьютеры

На смену нынешней микроэлектронике придет наноэлектроника. По прогнозам через 20-25 лет вместо нынешних полупроводниковых кремниевых компьютеров будут работать молекулярные компьютеры. А через следующие 10-20 лет прогнозируют приход нового поколения компьютеров — квантовых и ДНК-компьютеров.
В молекулярных компьютерах вместо кремниевых чипов будут работать супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли. Их получение и свойства изучаются органической и супрамолекулярной химией. Многие такие объекты можно с достаточным основанием назвать «интеллектуальными молекулами». Они могут существовать в двух состояниях, одно из которых обладает электрической проводимостью (в частности, здесь могут быть использованы ротаксаны). Перевод из одного состояния в другое можно осуществить под воздействием тепла, света, химических агентов, электрического и магнитного полей. Такие молекулярные переключатели — это, в сущности, будущие транзисторы молекулярных компьютеров. Их размеры будут на два порядка меньше самых маленьких нынешних. Это даст огромное (на десять порядков) повышение производительности. По прогнозам, будущий молекулярный компьютер может оказаться в 100 миллиардов раз эффективнее нынешнего.
В молекулярных компьютерах переключателями могут служить супермолекулы ротаксанов или катенанов, в качестве памяти будут применяться стабилизированные ансамбли наночастиц, а проводами станут нанотрубки или молекулы полимеров с сопряженными двойными связями
(синтетические металлы). Рекомендуем читателю интересный обзор [30] по созданию одномолекулярных выпрямителей и других наноэлектронных приборов
, а также сообщение [31] с описанием нанотрубчатого устройства для электронной памяти.
В патентной заявке [32] описан способ связывания нано-трубки или фуллерена с полимером, желательно проводником тока (например, политиофеном), а также приборы для наноэлектроники на этой основе. На конференции
Международного электрохимического общества в
Дюссельдорфе в сентябре 2002 года было сделано интересное сообщение о работе, выполненной в Институте по нанотехнологиям Тель-Авивского университета (Израиль), о химических процессах, применяемых в микро- и нанотехнологиях. В частности, рассмотрены такие новые и весьма перспективные разработки, как создание наноразмерных электрических

150 контактов путем нанесения металлических покрытий на белки и биоматериалы [33].
Особенно впечатляет так называемый «биологический нанокомпьютер».
Эта разработка проведена в Израиле. Израильские ученые разработали компьютер, который бьет все поставленные до сих пор рекорды миниатюризации ЭВМ. В обычную лабораторную пробирку поместится около триллиона таких машин.



ДНК хранит огромные массивы информации
.
Нанокомпьютер состоит из сочетания молекул ДНК и молекул энзимов, веществ, "анализирующих" ДНК. Элементы компьютера работают в жидком состоянии - они взвешены в веществе, залитом в ту самую пробирку, о которой речь шла несколькими строками выше. Исследователи рассчитывают, что следующим шагом станет создание устройства, способного анализировать живые молекулы ДНК. Оно поможет в поисках патологий и в разработке новых лекарств. Однако это - планы на отдаленное будущее. Пока что нанокомпьютеры будут использовать для того, чтобы облегчить задачу анализа ДНК в лабораторных условиях. Прежде всего, речь идет о расшифровке геномного кода живых существ. Эту процедуру сейчас проделывают с самыми разными лабораторными объектами - от мух- дрозофил и обычных помидоров до человеческих организмов. Как только
ДНК будет расшифрована, ученые смогут узнать массу новых подробностей о том, как функционируют природные механизмы хранения и передачи данных.


151
Интересное исследование выполнено в Университете Клемсона (Южная
Каролина, США), в котором показана возможность присоединения белков к углеродным нанотрубкам [34]. Методом атомно-силовой микроскопии установлено, что белки удалось прочно связать с нанотрубками, и при этом до 90 % связанного белка остается биологически активным. Этот принципиально важный результат прямо доказывает реальность создания молекулярных устройств путем интеграции искусственно полученных наночастиц с природными белками.
Создание молекулярных компьютеров откроет человечеству невиданные, поистине фантастические возможности. Человек научится вживлять эти сверхминиатюрные устройства в свои ткани и органы. Начнется широкое внедрение в организм датчиков и других приборов. Реальные очертания приобретет создание «искусственного интеллекта». Нынешний человек как биологический вид, конечно, им и останется. И всё же это будет уже другой человек. Будущий homo sapiens будет качественно отличаться от нынешнего за счет симбиоза с молекулярной электроникой, с другими продуктами высоких технологий, с Интернетом. Для будущего человека станет доступна вся информация, накопленная предками, её полностью оцифруют. В его распоряжении окажутся неограниченные резервы памяти, мощные технологии вычислений, обработки данных, надежные оценки и прогнозы.
Новые технологии можно будет использовать и для коррекции психики, ограничения агрессии, блокирования боли, мобилизации сил и т.д. Не исключено, что, достигнув такого уровня, человек даже захочет и сможет решить проблему своего бессмертия.
Когда же реально появятся первые молекулярные компьютеры? О молекулярных компьютерах разговоры ведутся давно, и эта тема сегодня продолжает волновать ученый мир. Несмотря на то, что перспектива выпуска серийного компьютера на молекулах всё ещё остается весьма отдаленной, определенные подвижки в этой области уже есть. Разработчики, специализирующиеся в данной сфере, предполагают, что молекулярные компьютеры сменят технику на кремниевых элементах уже через 20–25 лет.

Что представляет собой молекулярный компьютер? Это устройство, в котором работу кремниевых чипов выполняют «интеллектуальные» молекулы и молекулярные соединения, обладающие способностью существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, отличающихся определенными химическими и физическими свойствами.
Трансформировать молекулу из одного состояния в другое можно при помощи световой, тепловой энергии, химических агентов, электрического и магнитного полей, других генераторов энергии. Переключаемые бистабильные молекулы возможно рассматривать как наноразмерную двухбитовую систему, способную воспроизводить функцию классического

152 транзистора. Учёные полагают, что дальше последуют спинтроника, компьютеры на квантовых точках или ДНК-машины.
Большой популярностью пользуется идея о постепенном слиянии вычислительных систем и живых организмов. Биотехнологии позволят начать широкое производство имплантатов с компьютерными функциями, мыслящих машин и распространенных в научной фантастике киборгов – полулюдей-полуроботов. Поскольку, по прогнозам ученых, в ближайшее время вычислительная мощность обычных компьютеров может превысить мощность человеческого мозга, усиление возможностей человека при помощи имплантатов может стать вполне актуальным. Конечно, все это – лишь спекуляции, и они мало что значат без конкретных прорывов в науке, исследований, опытных образцов и т.п. Таковые, правда, уже существуют, и могут стать первым шагом в направлении нового технологического скачка.
По словам астрофизика Стивена Хокинга, с дальнейшим развитием технологии неизбежно и изменение самих людей: ДНК, образа жизни и самой их природы. Нанокомпьютеры в своем развитии пройдут несколько стадий.

Квантовые компьютеры
Квантовая механика работает с частицами, которые значительно меньше атомов – именно из них и будут состоять элементы квантовых компьютеров.
Теория квантов предполагает, что частицы могут иметь сразу несколько различных состояний (за счет того, что все законы срабатывают не постоянно, а с определенной вероятностью). Таким образом, один бит будет хранить не одно значение (0 или 1), а целых три одновременно: 0, 1 и нечто среднее. Если взять хотя бы 4 таких квантовых байта (32 бита), количество возможных комбинаций значений, которые они смогут одновременно содержать, превысит 4 миллиарда. Впрочем, пока что ученым не удалось создать достаточно устойчивую квантовую структуру. На данный момент

153 существует лишь несколько отдельных запоминающих и логических элементов такой структуры. В будущем предполагается создать цепи из ячеек, представляющих собой специальные атомы или молекулы, предназначенные для «сбора» электронов. Такие цепи могут работать как проводники сигналов: электроны попадают в молекулу, и выталкивают другие электроны, которые уже там находились, к следующей молекуле – так и передается сигнал. Такой памяти даже не нужна электроэнергия для работы! Однако чтобы создать подобную систему, все еще нужно решить проблему объединения элементов в устойчивую структуру, а затем необходимо обеспечить стабильное взаимодействие между ними. Наконец, финальным этапом станет налаживание массового производства квантовых компьютеров. По прогнозам некоторых ученых, это может произойти в ближайшее десятилетие.

Оптические компьютеры
Следующий этап – «оптические» компьютеры. Это логическое продолжение оптических систем связи. В настоящее время оптоволокно применяется все чаще и чаще, и, похоже, скоро будет использоваться везде.
Чтобы оптический сигнал, полученный по проводам, не приходилось постоянно преобразовывать в электрический и наоборот, ученые начали разработки компьютеров, основанных на фотонных технологиях. До каких- либо практических результатов на этом фронте еще далеко, но некоторые наработки уже существуют. Так, канадские специалисты создали жидкие кристаллы, способные управлять потоками фотонов в кристалле на базе кремния. По их мнению, разработка на этой основе электронных реле, проводников и микросхем вполне реальна. Тем не менее, все это пока в

154 будущем. Сегодня оптика, как уже говорилось, в основном используется в системах связи и медленно, но верно заменяет электрические провода.


На следующем этапе – «биокомпьютеры». Данная технология проводит параллели, называющие живую клетку биологической машиной, а человеческий мозг - биокомпьютером. На этом и основываются разработки, которых, правда, пока довольно мало. В качестве примера можно привести подключенные к электрическим проводам живые нейроны: ничего более выдающегося биотехнологии пока не в состоянии представить.

Биокомпьютеры

Ученые Вейцмановского института естественных наук сконструировали модель биологического компьютера из пластмассы. Высота модели составила 30 см. По словам исследователей, настоящий биокомпьютер такой структуры не превышал бы размерами 0,000025 мм – такова величина одного из компонентов живой клетки. Упомянутый выше опыт с нейронами, подсоединенными к проводам, позволил выявить следующую особенность: под воздействием электрических сигналов нейроны способны перестраиваться и образовывать новые взаимосвязи. Это позволяет предположить, что биокомпьютеры будут способны не только считать по заранее заданным программам, но и меняться в зависимости от внешних воздействий, то есть – учиться. Этот принцип планируется использовать при создании мозга роботов.
Наконец - молекулярные компьютеры.


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   16


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал