Нанотехнология. Перспективы развития

Фейнмана в области  микроэлектроники начали обрастать  плотью очень  быстро  -

уже в 1960-70-е годы, - то прогресс в электромеханических  микросистемах  шел

гораздо   медленнее.   Лишь   в   1980-е   годы   ведущие   университеты   и

правительственные  лаборатории  начали  осваивать   сравнительно   недорогие

способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего  была

разработана   технология   микроэлектромеханических   систем,   или    MEMS,

использующая   методы   литографии   и   инструментарий    полупроводниковой

промышленности.

    Фактически, понадобилось больше тридцати  лет  на  то,  чтобы  появилось

первое  коммерческое  приложение  MEMS.  Одной  из  первых  MEMS-технологий,

получивших   повсеместное   распространение,   стали   сенсоры    ускорения,

устанавливаемые  сейчас  практически  во  все  современные  автомобили   для

детектирования  столкновения   и   выпуска   защитных   воздушных   подушек.

Массачусетская  компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры  в

1993 году, сейчас  продает  автомобилестроителям  около  50  миллионов  MEMS-

чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких  как  головки

микроструйных принтеров  или  сенсоры  давления,  которые  компания  Motorola

сотнями 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  заметных  успехов  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  запустить  подобные  продукты   в   массовое   производство

оказалось гораздо  труднее, чем полагали оптимисты.

    Сейчас  самой 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   лаборатории   MEMS-технологий.   Компания   сфокусировалась   в    своей

деятельности    на    оптических     коммутаторах     для     оптоволоконных

телекоммуникационных  систем.  В  их  основу  положена  фирменная  технология

Сандиа под  названием  SUMMiT  V  (от  Sandia  Ultraplanar  Multilevel  MEMS

Technology).  Это   микромашинный   процесс   обработки   поверхности   чипа

напылением   и   травлением,    охватывающий    пять    независимых    слоев

поликристаллического  кремния - четыре  «механических»  слоя  для  построения

механизмов и  один электрический для обеспечения  межсоединений  электросхемы.

Технология позволяет  доводить размеры механических элементов  до 1 мкм.

    Опыт,    накопленный    разработчиками    Сандиа    в    миниатюризации

электромеханических   систем,   помог    создать    и    весьма    эффектных

микроскопических  роботов.  Построенная  в  середине  1990-х  годов   модель

автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle)  имела  объем

около 1 кубического  дюйма,  хотя  робот  почти  целиком  был  изготовлен  из

коммерчески  доступных  компонентов.  К  2000  году  его   размеры   удалось

уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина  на  гусеничном  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  элементы  питания

помешали сделать  устройство еще миниатюрнее. Машины планируется  оборудовать

системой  беспроводной  связи,  после  чего   группа   микророботов   сможет

объединяться для  совместного  решения  задач  под  управлением  центрального

компьютера. По замыслу  разработчиков,  основной  областью  применения  таких

роботов  может  стать  поиск  и   обезвреживание   бомб   и   мин,   опасных

биологических и  химических материалов. Благодаря малым  размерам  и  высокой

проходимости микророботы  очень  перспективны  для  решения  разведывательных

задач. Однако емкость  современных батарей катастрофически  мала,  ее  хватает

лишь на преодоление  десятка метров. 

    Роботы  «сухие» и «мокрые»

    Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются  в двух принципиально

разных   направлениях,   условно   именуемых   «сухой   нанотехнологией»   в

механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в  биологической традиции.

    «Сухие  нанотехнологии»  чаще  всего   отталкиваются  от  уже  имеющихся

технологий - вроде  сканирующих  микроскопов,  которые  способны  перемещать

отдельные атомы  и молекулы. Пока что, как правило, это  выражается  в  форме

своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных  имен

исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров.  Но  все  такие

эксперименты обычно  ограничены  плоскостью.  Укладывание  молекул  друг  на

друга - следующая  задача, которая будет решена в  ближайшие годы.

    Например,  исследователями  Гарвардского  университета   сконструирован

первый  «нанопинцет»  общего  назначения,  использующий  пару   электрически

управляемых  углеродных  нанотрубок.  С  помощью  этого  механизма   удается

манипулировать 300-нанометровыми  кластерами  полистироловых  микросфер  или

извлекать единственный 20-нанометровый  полупроводниковый  провод  из  массы

аналогичных перепутанных  проводов.  В  ближайшем  будущем  ученые  надеются

создать  столь  малый  нанопинцет,  чтобы  захватывать   отдельные   крупные

молекулы.

    Быть  может,  «мокрой  нанотехнологии»   следует  сконцентрироваться  на

конструировании  и   модификации   белковых   молекул,   знаменитых   своими

выдающимися способностями  к самосбору. Многие ученые полагают,  что  ключ  к

прогрессу  лежит  именно   здесь.   Живые   системы   используют   множество

молекулярных  машин,  таких  как  молекулярные   моторы.   Поэтому   логично

попытаться  приспособить  к  нашим  потребностям  уже  имеющиеся  в  природе

механизмы,  используя  их  для  приведения  в  движение  крошечных  насосов,

рычагов  и  зажимов.  Концепцию  «мокрых  наноботов»  иногда  именуют  также

микробиороботами.

    Исследователям  из  Нью-Йоркского   университета,   избравшим   «подход

самосбора»,  удалось  научиться  генерировать  комплементарные   нити   ДНК,

которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так  были

выстроены кубы, восьмигранники и другие 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 небиологическими элементами из  100-

нанометровых   полос   азотистого   кремния.    Подобно    микроскопическому

пропеллеру, он вращается  со скоростью 200 оборотов в минуту.

    Как  показывают предварительные оценки, механические системы в  конечном

счете  смогут  обеспечить  более   высокие   скорости   работы   и   большую

эффективность управления нанороботом, нежели системы  биологические.  Однако

важным преимуществом  последних является то, что зачастую  их  функциональные

компоненты можно  частично или целиком брать из  уже  имеющихся  естественных

живых систем, тем  самым существенно сокращая время  разработки. 

Саморепликация.

    Производство  нанороботов всё ещё затруднено  по двум причинам:  проблема

«толстых  пальцев»-  недостаточная   разрешающая   способность   современных

приборов и сложность  проектирования схемотехнических решений. Эти  проблемы,

как ни странно, возможно решить  только  при  помощи  самих  нанотехнологий.

Если для проектирования схемы нужен мощный процессор, работающий на  высокой

частоте, то для  массовой сборки нанороботов нужны  нанороботы,  т.к.  только

они по своему предназначению могут предоставить  необходимый  инструментарий

для сборки механизма. Человеку не под силу  любыми  устройствами  произвести

количество   нанороботов,   соответствующее   современной    концепции    их

применения.   Для   обеспечения   простейших   задач,   поставленных   перед

нанороботом, их нужны  сотни, если не тысячи. На сегодняшний  день  разработка

в  этом  направлении  возможна  лишь  в  теоретическом  виде.   Однако   уже

существуют макроскопические роботы,  способные  собрать  себе  подобного,  а

затем запрограммировать  его. Также этот вопрос исследует  философия.  Дело  в

том, что при  разговорах о репликации, самовоспроизведении  роботов  неизбежно

возникают  мысли  о  выходе  их  из-под  контроля.  Вплоть  до   того,   что

нанотехнология   рассматривается   сейчас   некоторыми   как   первый    шаг

человечества по скользкому краю  апокалиптической  ямы,  заполненной  «серой

слизью». Этот термин получил довольно широкое хождение с подачи Билла  Джоя,

главного  ученого  Sun  Microsystems,  опубликовавшего   в   журнале   Wired

нашумевшую  статью  «Нуждается  ли  в  нас  будущее?»  Джой  и  его  идейные

соратники      настойчиво      предупреждают,      что      микроскопические

самовоспроизводящиеся  роботы,  невидимые  человеческому  глазу,  в   случае

выхода из-под  контроля  могут  привести  к  нашествию  безликой,  липкой  и

пожирающей все  вокруг массы - «серой слизи». Причем идею  эту  вовсе  нельзя

назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники  новейших

технологий уже  выдвигали предложения по разработке  армии  «синей  слизи»  -