Функциональные блоки нанофабрики

Функциональные блоки нанофабрики

Нанофабрике потребуется серьезная система охлаждения-ведь плотность ее мощности велика (для нанофабрики размерами 0,5х0,5х0,5 м номинальная мощность составит около 200

КВт). Поэтому ее архитектурой предусмотрена система охлаждения внешней оболочки и макроузловых сборок с высоким давлением, которая далее разветвляется на охлаждение среднего давления (в промежуточных стадиях сборки) и на систему низкого давления (для охлаждения отдельных наноблоков с фабрикаторами).

Кроме того, предполагается обеспечение нанофабрики системой связи с центральным компьютером, а также системой транспортировки готовой продукции. Специальный сортиро-вочный ротор будет выбирать из поступающего сырьевого материала лишь те атомы и молекулы, которые необходимы для каждой конкретной операции, для гарантии ее точной, бездефектной и безаварийной работы и т.д. Большинство таких блоков могут быть реализованы в виде МЭМС_ и НЭМС_устройств. С одной стороны к нанофабрике будут присоединены бал-лоны с сырьем _ молекулами и атомами, а также охладителем. С другой_интегрированный СAD_интерфейс для проектирования продукта. Представьте себе, что к вашему ноутбуку присоединили небольшой ящичек размерами 0,5х0,5х0,5 м. Далее на компьютере запускают программу типа 3D MAX и предлагают вам что-нибудь нарисовать. Например, стеклянный шар. Вы рисуете его, указывая тип стекла, его характеристики, цвет, плотность и пр. и, в результате из ящичка выходит нарисованный вами шар. Теперь вы изменяете тип материала, из которого изготовлен шар, на, например, “свинину”, и из ящичка через некоторое время выпадает идеально круглый шар из свинины...

Однако зачем делать шарики из свинины? Нарисуем лучше руку робота из алмазоида размерами менее 1 мкм с помощью стандартных инструментов, и присоединим ее к нашему шару (только размерами поменьше, скажем, 1 мкм), оснастив его механокомпьютером (тоже стандартным инструментом) и добавив “батарейки”. Все, наноробот готов! Зададим в управляю-щей программе количество побольше, и из ящичка выйдет серия таких нанороботов (правда, вряд ли их можно будет увидеть невооруженным глазом). Или же нажав на фабрике кнопку

“replicatе”, мы через два дня получим копию нанофабрики.

Рис 169. Вид нанофабрики в представлении художника

Итак, что мы имеем? Алмазная фабрика размером с монитор может выпускать продукт размером 10*10*10 см и весить 4 килограмма. Производственный процесс займет около 3 часов.

При этом продукт будет иметь упорядоченную структуру вплоть до атома. Репликация подобной фабрики займет около двух дней. При этом стоимость продукта будет зависеть только

от стоимости сырья, из которого изготовлены продукты. Мощность фабрики составляет около 200 кВт. Фабрика полностью автоматизирована и будет соединяться с персональным компь_

ютером, образуя производственный комплекс.

Человек_оператор сможет создавать различные продукты в специальной САПР, подобно тому, как сегодня создают чертежи деталей машин. Фабрика повторит конструкцию с точностью до атома. Такая фабрика благодаря своим размерам может стать основой производственного комплекса любого частного лица. Столь мощного орудия производства у человечества еще не было, и с его появлением производственный процесс сведется к разработке самого продукта или скачиванию его чертежей из Интернета. Вероятно, в квартирах будущего вместо холодильников будут стоять нанофабрики, специализированные под производство продуктов питания и изысканных деликатесных блюд, а в мире будет ходить информационная валюта,

с помощью которой можно будет купить файлы с новыми продуктами, предметами и пр.

Не забудем и про спам! Толпы рекламных существ и механизмов, вылезающих из нанофабрик, подключенных к всемирной товарообменной сети, станут будить вас каждое утро. Зато друзья всегда смогут переслать вам не только фотографии, из нового путешествия, но и вполне реальные сувениры. Мечты мечтами, но прежде чем построить первую нанофабрику, человек должен сначала научиться создавать ее мельчайшие детали – наноманипуляторы, с помощью которых фабрикатор мог бы захватывать отдельный атом, удерживать его,отрывать из одного места и присоединять к другому. Напоминаем, что процесс образования или разрыва химической связи таким механическим способом традиционно называется механосинтезом.

Но как это осуществить? Каким образом манипулятор сможет захватить и удержать атом? “Приклеить” его в нужное место?

Рис. 170. Рекламный киберспаммер

Ответ прост. Мы знаем, что атомы “приклеиваются” друг к другу посредством химической связи. Значит, для того, чтобы захватить и удержать отдельный атом, манипулятору придется

образовать с ним химическую связь некоторого типа. Добавление нового атома в нужное место потребует точно такого же “приклеивания” атома к собираемому предмету посредством химической связи, но более прочной, чем связь,удерживающая атом на манипуляторе.

Разработка такого манипулятора – главная цель всей современной нанотехнологии, на сегодняшний момент, к сожалению, никем не реализованная. Однако существуют теоретические проекты различных инструментов механосинтеза, несомненно, заслуживающих внимания. Рассмотрим некоторые из них.

Рис 171. Модель нанопленки из алмазоида

Вспомните, что представляет собой структура любой алмазоидной конструкции: не что иное,

как решетку из атомов углерода, соединенных с четырьмя другими атомами ковалентной связью.

Стало быть, в качестве сырья для создания предметов из алмазоида могут выступать различные углеводороды (вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода), широко распространенные в природе и промышленности. Примером углеводородов могут служить, например, метан (CH4), бензол (C6H6), ацетилен (C2H2) и пр.

Поэтому, во_первых, необходим инструмент, который служит для отщепления от молекулы атома водорода. Такой инструмент был предложен Э. Дрекслером. “Инструмент Дрекслера” представляет собой “хваталку”, держащую на конце атом углерода со свободной ковалентной

связью. Когда инструмент приближается к нужной молекуле на расстояние приблизительно 10,8 нм, атом водорода сразу присоединяется к нему, едва “почуяв” рядом возможность образовать ковалентную связь с углеродом.

Рис 172. Инструмент Дрекслера

Отщепив водород от молекулы или поверхности, мы, тем самым, наделяем ее саму реак-ционной способностью. Если рабочая зона находится в вакууме, то на место водорода

можно механически присоединить другой атом или молекулу, от которой также оторвали

водород.

Если же в момент отщепления водорода в рабочей зоне нанофабрики находится в свобод-ном состоянии какое_нибудь вещество, способное к реакции с углеродом, оно быстро займет место удаленного водорода. Наполнив рабочую зону углеродсодержащими парами, можно легко синтезировать алмазоидные структуры, вот так отщепляя от алмазной пленки водород в нужных местах.

Рис 173. Инструмент

присоединения

водорода

Антиподом инструмента Дрекслера является “инструмент присоединения водорода”, скон-струированный так, чтобы атом водорода, слабо прикрепленный к его концу, мог легко вступать во взаимодействие с химически активной молекулой или поверхностью. Чтобы связь была достаточной слабой, водород прикрепляется к атому олова (Sn).

Рис 174.Инструмент

Фрайтаса

Чтобы строить собственно алмазоидную поверхность, необходим инструмент, способный присоединять к ней атомы углерода. За это отвечает “инструмент Фрайтаса”, который может точно прикрепить димер С_С к синтезируемой поверхности и затем отсоединиться от нее. Инструмент спроектирован так, чтобы к нему димер прикреплялся относительно слабо и обладал высокой реакционной способностью. Захватывающим концом инструмента могут быть

атомы Si, Ge, Sn, Pb (в порядке ослабевания связей с углеродом). Эти атомы удерживаются под большим углом алмазоидными держателями. Инструменты, содержащие переходные металлы, могут быть полезны как катализаторы различных реакций.

Рис 175.Инструмент_

катализатор

“Инструменты Меркле”– свободные радикалы С, Si и Sn и инструмент со свободной двойной углеродной связью, предназначенные для выполнения различных вспомогательных

операций.

Рис 176. Вспомогательные инструменты

Инструменты присоединения функциональных групп. Существует великое множество таких групп, например, –ОН, -СООН, -СОО_, _Сl, _NH2 и т.п., способных сильно влиять на функцио-нальность продукта. Каждая из них может быть с одной или нескольких сторон химически присоединена к углеродным каркасам, образовывая, соответственно, функциональные поверх-ностные структуры и соединительные перемычки.Необходимость создания таких инструментов объясняется, отчасти и тем, что без некоторых функциональных групп может

оказаться невозможным ни создание наноактюаторов, ни сложных наносистем. А ведь без этого невозможно создание и самой нанофабрики.

Кроме того, разрабатываются и другие интересные инструменты. Например, исследователи компании IBM модернизировали СТМ так, чтобы с его помощью отщеплять или присоединять к атомам отдельные электроны, что сразу влияет на их реакционную способность. Химики из Орегонского университета создали хелатор _ молекулярные «крабовые клешни», которые

захватывают отдельные атомы мышьяка.Несмотря на то, что в настоящий момент пока не существует инструментов, способных так изящно манипулировать атомами, некоторые практические шаги в этом направлении все же сделаны. То и дело в новостных рассылках появляются сообщения об изобретении того или иного устройства, способного манипулировать если не единичными атомами и молекулами, то небольшими кластерами, что уже очень неплохо. Одним из лидеров в этом направлении является компания Zyvex, которая уже на протяжении нескольких лет выпускает МЭМС_системы из четырех скоординированных между собой наноманипуляторов с тремя степенями свободы каждый, предназначенных для захвата, измерения, позиционирования и сборки микро_ и наноразмерных образцов. Устройство обеспе-чивает как грубое позиционирование каждого манипулятора на 12 мм по всем трем осям с разрешением 100 нм, так и точное позиционирование с разрешением менее 5 нм. Манипулято-ры представляют собой микропинцеты различной конфигурации, обеспечивающие микросборку, манипуляцию и анализ частиц размером до 500нм.

Рис 177. Наноманипулятор фирмы Zyvex*

* Перепечатано с www.zyvex.com

Применяются такие устройства в основном при разработках в области энергетики, мате-риаловедения, изучении поверхностей, в электронике, биотехнологии и т.д. Современные нано_манипуляторы – это сложные механизмы, довольно большие и тяжёлые (даром, что носят приставку «нано»), а главное, очень дорогие – десятки тысяч долларов.

Рис 178 Наноманипулятор Калпеппера*

* Перепечатано c http://psdam.mit.edu

Вот если бы удалось создать аналог с более умеренной ценой, то, представьте, сколько не-больших лабораторий, компаний и изобретателей смогли бы попробовать свои силы в нанотехнологиях. Именно об этом думает профессор Массачусетского технологического института Мартин Калпеппер, собравший наноманипулятор HexFlex почти что из подручных материалов.

Его манипуляторы просты (но эта та простота, для достижения которой потребовалось много бессонных ночей), компактны и дёшевы, а изготовить их легко без применения каких-либо «супернавороченных» технологий. Упрощение конструкции позволило умельцу создать самый маленький в мире наноманипулятор-диаметром менее миллиметра.

Но использование механических наноманипуляторов для оперирования атомами и наностру-ктурами-не самый изящный вариант. Вспомним, что в квантовом мире волны столь же осяза-емы, как частицы, и сразу на ум приходит идея манипуляторов, состоящих из… света. Исторически первенство в оптическом манипулировании атомами принадлежит отечествен-ным ученым. Метод “микроуправления светом” был впервые применен в 1979 году советскими физиками под руководством Владилена Летохова из Института спектроскопии, которые сумели затормозить атомы натрия с помощью пучка света. В 1986 году американские исследователи из компании Bell продемонстрировали действие так называемого “оптического пинцета”.

Когда лазерный пучок неоднороден, частица втягивается в область наибольшей яркости излучения – как шарик скатывается в низину. Это происходит потому, что при изменении нап равления потока фотонов (обладающего, как и все квантовые частицы, импульсом) возникает сила, сдвигающая пойманную частицу. Перемещая фокус луча, можно передвигать “пойманные” нанообъекты или даже выстраивать из них разнообразные конструкции.

Рис 179. Оптический наноманипулятор

Лазерные лучи, гораздо более нежные чем механические «лапы» обычных манипуляторов, охотно применяют биологи для захвата клеток, молекул ДНК, хромосом и т.п. В последнее время были созданы еще более замечательные оптические инструменты. Применяя специально подобранные линзы, инженеры формируют лучи с заданными свойствами-так называемые Бесселевы пучки. Силы в них действуют вдоль луча или с вращением вокруг его оси. Захватывая нанообъекты, эти пучки способны двигать их вдоль луча или вращать. В Самарском Институте систем обработки изображений группа под руководством Виктора Сойфера исполь-зовала пучки Бесселя,лазерный луч в которых закручивался в спираль при помощи специаль-ных линз – дифракционно_оптических элементов.

Используя всего один такой элемент, удалось захватить, перемещать и медленно вращать микроорганизмы дрожжей диаметром 5–10 микрон и частицы полистирола. Ученые надеются,

что при помощи этих технологий смогут работать приводы в наномеханизмах будущего.

Рис 180. Лазерная манипуляция нанотрубками

Тем временем американская военная компания Arryx создала специальный жидкий кристалл, разделяющий лазерный луч на 200 отдельно управляемых лучиков, каждый из которых может манипулировать нанообъектами. С помощью этой системы уже удалось аккуратно размещать нанотрубки на поверхности чипа, что позволит строить сверхбыстрые наночипы.

Мы не раз уже говорили о сходстве природных и искусственных наномашин. Раз они так похожи, то почему бы не пойти в создании наноманипуляторов еще одним путем: поймать каких_нибудь микробов и привлечь к труду – например,сборке нанодеталей. Именно к этму стремится американский ученый Роберт Хэймерс. Он уже научился манипулировать живыми бактериями с помощью электромагнитного поля.

В опыте участвовали бактерии Bacillus mycoides. Они имеют форму прутка длиной 5 микронов и диаметром 800 нанометров. Бактерии поместили в водно-глицериновый раствор, покрывающий кремниевый чип. На золотые электроды подали переменное напряжение с частотой 1 МГц. В результате бактерии выстроились вдоль силовых линий электрического поля, касаясь с двух сторон электродов. Микроорганизмы послужили своего рода нанопроводниками, пропуская небольшой ток, с помощью которого исследователи установили их местораспо-ложение. Затем, создав медленный ток жидкости, исследователи смогли перемещать бактерии вдоль электродов.

Хэймерс предлагает использовать бактерий для перемещения и сборки нанодеталей-квантовых точек, нанотрубок, наночастиц. На детали наномашин планируется наносить белковые маркеры, комплементарные (взаимно соответствующие) маркерам на поверхности микроорганизмов. Затем бактерии перемещают в нужные места и осуществляют сборку.