Кристиан Жоаким Лоранс Плевер
НАНОНАУКИ. НЕВИДИМАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Введение
Чудеса вокруг нас
Авторы книги приглашают читателя погрузиться в бесконечно малое, чтобы, донырнув до самого «дна», развлечься игрой с одиночными атомами или отдельными молекулами. У всех нас нет никакого опыта обращения с такими объектами, как с разрозненными единицами: уж слишком они малы, чтобы перебирать их поодиночке. В самом деле, каковы размеры атома? Их приходится измерять в десятимиллиардных долях метра, то есть в десятимиллионных долях миллиметра. А как должен вырасти атом, чтобы мы, скажем, или вы, наш читатель, стали величиной с планету? Так вот, тогда атом был бы шариком с диаметром в миллиметр. А если бы он стал величиной с комнату, то мы или вы доставали бы головой до Солнца. Атом столь мал, что его нельзя увидеть не только невооруженным глазом, но и в любой самый мощный оптический микроскоп.
Однако в 1981 году ученые изобрели микроскоп нового типа, работавший на основе туннельного эффекта. Этот новый прибор позволял выводить изображения одиночных молекул и атомов на экран компьютерного монитора. Справедливости ради стоит упомянуть, что первые изображения атомов на люминесцентных экранах электронно-лучевых трубок были получены много раньше, еще в 1950-е годы, на так называемых «электронных» микроскопах. Однако туннельный микроскоп отличался тем, что с его помощью можно было не только увидеть атом, но и «дотронуться» до него — и даже, надавив на атом малюсенькой иголочкой, переместить его туда, куда вам заблагорассудится. Обыкновенно, когда вы трогаете какую-то вещь, миллиарды атомов ваших пальцев входят «в соприкосновение» с миллиардами ее атомов. Но игла туннельного микроскопа настолько тонка, что способна прикоснуться только к одному атому. Значит, если дотронуться сначала до одного атома, потом той же иглой придвинуть к этому атому еще один, потом еще один и так далее, то за некоторое время и через некоторое количество шагов можно получить небывалые сочетания атомов, в том числе и сильно непохожие своей «архитектурой» на те атомные скопления, которые встречаются в «обычной», нетронутой человеком, природе. Иначе говоря, эта игла оказывается продолжением пальцев ученого или инженера.
Так что туннельный микроскоп вносит существенные перемены — или некоторую сумятицу — в наши взаимоотношения с веществом, с материей. Он превращается в рабочий инструмент, «орудие физического труда», и тогда становится возможным совершенно новый технологический подход: обращение с атомами как с кирпичами и созидание из атомов все более величественных сооружений, только не по камешку или кирпичику, а атом за атомом. Вплоть до построения крошечной машины, которая, однако, будет способна работать примерно так же, как и механизмы привычных нам размеров. Причем этот новый подход к конструированию аппаратуры по праву можно назвать восходящим — по направлению он уж точно противоположен давно привычной миниатюризации.
Представим себе, например, что мы построили куб в миллион раз меньший песчинки, с ребром длиной примерно в один нанометр, то есть в миллиардную долю метра. Чтобы соорудить такой нанокуб, понадобится примерно шестьдесят атомов. И это возможно при помощи туннельного микроскопа и «нанотехнологии» — так называют «восходящее» созидание из отдельных атомов: атом приставляется к атому, потом на них ставится еще один и так далее, пока не будет получен желанный результат. Прибегнув к более привычному «нисходящему» созиданию, то есть миниатюризации, можно получить тот же нанокуб — достаточно убрать из кубика с ребром в один сантиметр сто миллиардов миллиардов атомов. Всего-то.
Следовательно, нанотехнология, по сути дела, есть способ (еще один) сбережения материальных ресурсов. Со временем, однако, определение нанотехнологии стало более гибким или, лучше сказать, расплывчатым: теперь уже чаще говорят не о нанотехнологии, но о нанотехнологиях, и это множественное число объемлет не только умение манипулировать материей, передвигая атом за атомом, но и все прочие приемы, позволяющие создавать объекты с точностью, измеряемой нанометрами, пусть даже в производственном процессе задействованы не считаные единицы, а многие миллионы и миллиарды атомов.
Но как же это нас угораздило, начав с нанотехнологии как таковой, то есть с разработки все новых и новых приемов манипуляции одиночными атомами, оказаться перед такой грудой или кучей нанотехнологий, сыплющихся в наши дни как из рога изобилия или мешка Деда Мороза? Об этом пойдет речь в первой главе, где будет рассказано о невероятной, невообразимо запутанной политической операции, которая представляла собой беспорядочную череду стычек, боев и затяжных сражений за влияние, деньги и победу над соперниками. Однако эта небезболезненная суета за несколько лет вернула все к исходной точке, на круги своя, обратившись к нанотехнологии в ее первичном значении или скорее наброске такового. Нынешние нанотехнологии основываются на тех же технологических принципах, которые существовали и до изобретения туннельного микроскопа, но доводят миниатюризацию до предела, когда волей-неволей приходится измерять допуски и посадки в нанометрах. Уже вполне обычными кажутся устройства с габаритами в десятки нанометров, а это значит, что речь идет о немногих тысячах атомов. О таких малюсеньких чудесах рассказывает глава 2, в которой прослеживается захватывающая история миниатюризации, изобиловавшая многими драматичными приключениями; особое внимание будет уделено путеводным вехам процесса, который часто путают, напрасно и ошибочно, с нанотехнологией.