2. Вопросы размеров

РАЗЛИЧНЫЕ СОРТА МАЛОГО

Представим что-то, что всем хотелось бы иметь, - золотой куб с ребром 1 м. Возьмем теперь этот куб и разрежем его пополам по ширине, глубине и высоте, получив восемь меньших кубов со стороной 50 сантиметров. Свойства (исключая стоимость) каждого из восьми меньших кубов не будут отличаться от свойств большого: все они золотые, желтые, блестящие и тяжелые. Каждый куб - это мягкий электропроводный металл с той же точкой плавления, что была до разрезания. Если не считать того, что меньший куб переносить несколько легче, больше существенных изменений не наблюдается.

Представим теперь, что мы взяли один из восьми маленьких кубов и снова его разрезали. Полученные восемь кубов имеют сторону 25 см и те же свойства, что и большой куб до разрезания. Если продолжать делить золото описанным способом, размер уменьшится сперва до дециметров, затем до сантиметров, миллиметров, микронов, а свойства золота при этом меняться не будут. При каждом разрезании кубы будут становиться меньше. Со временем мы перестанем их видеть невооруженным глазом, и потребуются фантастические инструменты, чтобы продолжать разрезание. До этих пор физические и химические свойства брусков золота не меняются. Это достаточно очевидно из практического опыта — в макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера. При этом не имеет значения, являются кубы, золотыми, железными, свинцовыми, пластмассовыми, ледяными или латунными.

Однако стоит достичь наномасштаба, все меняется, включая цвет золота, точку плавления и химические свойства. При­чину такого изменения следует искать в природе взаимодейст­вии атомов, составляющих золото, взаимодействий, усредняе­мых в массивном материале. Нанозолото - это совсем не то, что массивное золото.

Последние несколько этапов разрезания, необходимые, чтобы довести куб до наноскопических масштабов, представляют некоторую разновидность нанопроизводства, или наноскопического производства. Наши последовательные разрезы довели кусок золота размером с чемодан до наноскопических масштабов. Описанный тип нанопроизводства иногда называется низходящим, поскольку вначале была большая структура, которую в процессе обработки сделали меньше. И, наоборот, если начать с отдельных атомов и построить наноструктуру, будет использовановосходящее нанопроизводство. Крошечные золотые наноструктуры, полученные в ходе описанного процесса иногда называютсяквантовыми точками или наноточками, поскольку приблизительно они имеют форму точек, а их диаметр измеряется в нанометрах.

Процесс нанопроизводства, в частности создание золотых наноточек, не нов. Цвет большей части витражных стекол средневековых и викторианских церквей и некоторых стекол, найденных в древних гончарных (керамических) изделиях, объясняется тем фактом, что наноскопические свойства мате­риалов отличаются от макроскопических. В частности, нанос­копические частички золота могут быть оранжевыми, пурпур­ными, красными или зеленоватыми, в зависимости от их раз­мера. В некотором смысле, первыми нанотехнологами были стеклодувы в средневековых кузницах (рис. 2.1), а не рабочие в униформах на современных заводах по производству полу­проводников (рис. 2.2). Очевидно, что стеклодувы не понима­ли, почему то, что они делают с золотом, меняет его цвет, но мы сейчас это знаем.

Рис. 2.1. Ранний нанотехнолог. Перепечатано с разрешения Getty Images.

Рис. 2.2. Современный нанотехнолог. Перепечатано с разрешения Getty Images.

Зависящие от размера свойства наноструктур нельзя под­держивать при обратном переходе к макромасштабу. Можно получить макроскопическое распределение золотых наноточек, имеющее красный цвет из-за размера отдельных наноточек, но наноточки быстро вернутся к желтому цвету, если смести их вместе и позволить объединиться. К счастью, если наноточки близки между собой, но не настолько, чтобы объединится, красный цвет можно наблюдать невооруженным глазом. Именно по такому принципу созданы стекло и глазурь. Однако, если точкам разрешить слиться, они снова будут, вы­глядеть золотыми, как мечта банкира.

Рис. 2.3. Нанокристаллы во взвеси. Каждая пробирка содержит золото или серебро, а различие цветов объясняется размером и формой частиц, как показано на приведенных ниже и выше снимках. Перепечатано с разрешения группы Ричарда ванн Дайна, Нортвестернский университет США.

Чтобы понять, почему это происходит, наноученые исполь­зуют информацию из многих дисциплин. Химики обычно имеют дело с молекулами, а важные молекулы имеют харак­терные размеры, которые нельзя точно измерить в наномасштабе: они больше атомов, но меньше микроструктур. Физики работают со свойствами материи, а поскольку свойства вещества в наномасштабе быстро меняются и часто зависят от раз­мера, нанофизики также вносят существенный вклад в пони­мание общей картины. Инженеры многое знают о наноскопических материалах и умеют их использовать. Материаловеды и инженеры-электронщики, химики и механики работают с уникальными свойствами наноструктур и тем, как эти специ­альные свойства можно использовать в производстве совер­шенно новых материалов, которые могут предлагать новые возможности в медицине, промышленности, здравоохранении и экологии.

Междисциплинарная природа нанотехнологии позволяет объяснить, почему разработка занимает так много времени — нечасто область требует таких обширных знаний. Также это объясняет, почему большинство новых исследований в сфере нанотехнологий является совместной работой ученых и инже­неров из всевозможных отраслей.

НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ

Нанонаука и нанотехнология требуют думать, создавать, измерять, использовать и проектировать в наномасштабе. По­скольку наномасштаб так мал, почти настолько мал, что его нельзя представить, перечисленные вещи сделать, очевидно, трудно. Так стоит ли этим заниматься?

С точки зрения фундаментальной науки понимание наномасштаба важно, если требуется знать, как построено вещество, и как свойства материалов отражают их компонентный состав, атомный состав, форму и размер. С точки зрения технологии и прикладного использования уникальные свойства наномира означают, что проектирование в нем может дать замечательные результаты, добиться которых иными способами не удастся.

Пожалуй, важнейшим технологическим достижением за последнюю половину двадцатого столетия является появле­ние полупроводниковой электроники. Микрочип и его революционное применение в вычислениях, связи, бытовой элек­тронике и медицине стали возможны только с развитием по­лупроводниковых технологий. В 1950 году телевидение было черно-белым, малым и ограниченным, нечетким и ненадеж­ным. На весь мир было не более десяти компьютеров, не было сотовых телефонов, цифровых часов, оптоволокна или Internet. Все эти достижения стали возможны благодаря мик­рочипам. Причина того, что компьютеры постоянно становят­ся лучше и дешевле, и что мы можем позволить себе техниче­ские новинки, игрушки и инструменты, окружающие нас, - увеличивающаяся надежность и уменьшающаяся цена полу­проводниковой электроники.

Один из основателей IntelCorporationГордон Мур (GordonMoore) вывел два эмпирических закона, описывающих впечат­ляющие достижения интегральных схем. В первом законе Му­ра (обычно называемом просто законом Мура) утверждается, что объем пространства, необходимый для установки транзи­стора на чип, сокращается вдвое примерно каждые 18 месяцев. Это означает, что ячейка, которая могла вместить один транзистор 15 лет назад, теперь может вместить 1 000. Закон Мура в графической форме изображен на рис. 2.4. Кривая представ­ляет размер элемента чипа и показывает, как быстро он стано­вится малым.

Первый закон Мура является хорошей новостью. Второй закон Мура — это плохая новость, по сути следующая из пер­вого закона и предсказывающая, что стоимость постройки за­вода по изготовлению чипов (производственная линия) уд­ваивается с каждым поколением чипов, или примерно каждые 36 месяцев.

Рис. 2.4 Законы Мура

Производители чипов беспокоятся о том, что произойдет, если фабрики начнут штамповать чипы с наноскопическими элементами. Мало того, что по сравнению с текущим производством чипов цены взлетят до небес (в настоящее время нормой являются фабрики ценой несколько миллиардов дол­ларов США),так произойдет еще и изменение свойств материала. Поэтому нет особых причин верить, что чипы будут действовать так, как предполагается, если не внедрить абсолютно новую методологию разработки. За несколько последующих лет (согласно прогнозам многих экспертов к 2010 году) все стандартные принципы, по которым строятся чипы придется пересмотреть при переходе от микрочипов к наночипам. Согласно закону Мура разработка чипов может пройти через революцию, а не через эволюцию. Данные вопросы при­влекли внимание больших корпораций, и теперь они волнуются за свое место в наноскопическом будущем. Игнорировать эти проблемы — все равно, что продолжать делать вакуумные лампы или виниловые пластинки. Помимо задач наноскопической электроники, одну из составляющих которой из-за работы с молекулами часто назы­вают молекулярной электроникой,имеется несколько других задач, которые надеются решить наноученые. Чтобы поддер­жать достижения в обществе, экономике, медицине и качестве жизни, которые для нас создала электронная революция, не­обходимо ответить на вызов нанонауки и нанотехнологии. Обновление существующих технологий будет продолжаться до некоторого времени, но в не столь отдаленном будущем возникнут определенные барьеры, преодолеть которые позволит нанотехнология. Даже для тех, кто считает, что обещания новой области преувеличены, ее потенциал слишком высок, чтобы его игнорировать.