Общие принципы получения наночастиц

О громную роль при получении наноструктур играют процессы самоорганизации. При решении задачи создания квантовых точек (см. гл. 2) сотрудники лабо­ратории академика Ж. И. Алферова подробно исследовали и творчески использовали закономерности этих процессов. Самоорганизация используется при получе­нии фотонных кристаллов, моделирующих структуру опала (см. гл. 5). Недавно был получен метод создания микроскопических колец из частиц кобальта диаметром менее 100 нм (см. рис. 3.7). Эти кольца форми­руются самопроизвольно и сохраняют намагниченность при комнатной температуре. При этом суммарное магнитное поле в кольце может быть ориентировано или по часовой стрелке, или против, что может быть основой энергонезависимой двоичной памяти.

Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в высшей степени наукоемкими. Для решения конкретных задач используется атомно-молекулярный дизайн, включающий компьютерное моделирование и квантово-механические расчеты. Некоторые расчеты оказыва­ются столь сложными, что не хватает мощности современных компьютеров. На рисунке 2 изображен молекулярный регулятор скорости для наноробота - итог компьютерного моделирования.

Особенности, связанные с размерами наноструктур, создают трудности в расчетах и объяснении их свойств. Но эти же особенности, в свою очередь, открывают новые необозримые перспективы для техники. Развитие физики всегда определялось обратной связью с техникой: очередные потребности техники ставили задачи перед физикой, а физика открывала новые возможности для техники. Однако, пожалуй, никогда еще их взаимное влияние и быстрая реакция на новые результаты не проявлялись так очевидно, как в нанотехнологии. Одна из причин - перспективы наноэлектроники.

История возникновения нанотехнологии

О

Ричард Филлипс Фейман

тцом нанотехнологии считают одного из самых знаменитых физиков нашего времени, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана, которого иногда сравнивают по широте и ясности предвидения с Леонардо да Винчи. Выступая 29 декабря 1959 г. перед Американ­ским физическим обществом (лекция называлась «Есть много места там внизу. Приглашение в новый мир физики» [1]), он высказал мысль, что «принципы физики... не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атомов». Фейнман впервые вы­сказал идеи о возможности микрозаписи с использо­ванием ионных пучков шириной всего несколько нанометров, создании из небольших скоплений атомов вычислительных систем, массовом производстве на миллионах микроскопических фабрик микродеталей и т. п. В те годы это казалось научной фантастикой. Но уже в 1981 г. Г. Биннинг и Г. Рорер (швейцарское отделение «IBM») изобрели сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), а в 1986 г. Биннинг - атомно-силовой микроскоп (АСМ) (см. гл. 1). СТМ и АСМ называют «глазами и пальцами» нанотехнологии. С их помощью можно «видеть» отдельные атомы и манипулировать ими. На рисунке 1 на цветной вклейке приведена зна­менитая фотография «загон для скота»: с помощью СТМ на чистую поверхность меди высажены по окружности с радиусом около 140 А (ангстрем) 48 атомов железа, причем СТМ воспринимает не только их, но и электроны меди внутри окружности. «Волны» на фотографии отражают состояние свободных электронов меди внутри «загона». Фотография («шепот атома») на рисунке 3 демонстрирует наличие сигнала в одном («пустом») фокусе эллипса, построенного из атомов кобальта, от атома, помещенного в другом фокусе. Ситуацию сравнивают с акустическими особенностями зала, в котором можно не слышать громкого разговора вблизи, но услышать шепот из дальнего угла. Автор эксперимента Дон Айглер полагает, что эту парадоксальную ситуацию можно использовать для передачи информации в наномире.

Таким образом, на смену старой технологии получения различных материалов и устройств, которую называют технологией «сверху вниз» (top-down), впервые пришла технология «снизу вверх» (bottom-up). В технологии «сверху вниз» из макроскопических материалов различными методами получали другие макроскопические или микроскопические материалы и устройства, применяя дробление, растворение и осаждение, обработку поверхно­сти электронным или лазерным излучением и т. п. В новой технологии «снизу вверх» любой материал или устройство, уже существующее, в природе или создаваемое впервые, собирают, начиная с отдельных атомов, по безотходной технологии. Такая сборка напоминает детскую игру «лего». В настоящее время эти две технологии часто сочетаются.

Очевидно, что массовая технология сборки даже для наноструктур, состоящих из небольшого числа атомов, с помощью сканирующего микроскопа невозможна. Поэтому так важна разработка соответствующих процессов самоорганизации.

О бъединяя идеи Фейнмана и фон Неймана, занимавшегося разработкой теории самовоспроизводящихся роботов, Э. Дрекслер, работавший в то время в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, рассмотрел возможность сборки (ассемблирования) частиц и молекул с помощью молекулярных самовоспроизводящихся роботов - ассемблеров. Эта область применения нанотехнологии, позволяющая говорить о новой научно-технической революции, сформулирована Дрекслером в книге «Машины созидания» [2]. Десемблер «разбирает» систему на части, чтобы после анализа можно было бы перейти к синтезу подобных систем или нанообъектов. Позднее (1992) Дрекслер выдвинул идею нанофабрик и в настоящее время вместе с К. Фениксом работает по ее развитию; по их мнению, эффективнее и безопаснее использовать жестко позиционированных нанороботов на больших производствах типа сборочных конвейеров с контролируемым запасом сырья. Развивая идеи медицинского применения нанороботов, Дрекслер провозгласил нанотехнологию как «путь к бессмертию и свободе».