1.3. Подходы «сверху-вниз» и «снизу-вверх» к получению нанообъектов. Понятия самосборки и автосборки и примеры их реализации. Понятие молекулярного ассемблера.

В технологии твердых тел известны два подхода (две концепции) к обработке вещества и созданию планируемых изделий: «top-down» («сверху-вниз») и «bottom-up» («снизу-вверх»).

Подход «сверху-вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или ионной обработкой, вплоть до получения объектов с ультрамикроскопическими, нанометровыми параметрами (рис. 6).

В качестве простого примера можно указать некоторые полупроводниковые устройства, структура которых создается фотолитографической обработкой. При фотолитографии полупроводниковая заготовка подвергается обработке лазерным лучом, что позволяет получить в ней заранее спланированную конфигурацию схемы. Разрешающая способность (то есть минимальный размер элементов изготавливаемой схемы) определяется при этом длиной волны лазерного излучения.

Другим примером может служить применение тонкого перемола материала (или его измельчения). При этом под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления.

Идея технологии «снизу-вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т.п.), располагаемых в требуемом порядке (рис. 7). Этот подход можно считать «обратным» по отношению к привычному методу миниатюризации «сверху-вниз», когда мы просто уменьшаем размеры деталей.

Типичным примером подхода «снизу-вверх» может служить поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности при помощи сканирующего туннельного микроскопа или других устройств этого типа. Метод позволяет наносить друг на друга не только отдельные атомы, но и слои атомов. Конечно, в настоящее время описываемый подход характеризуется очень низкой эффективностью и производительностью, однако ему принадлежит будущее. Данный подход открывает принципиально новые горизонты, характеризующиеся практической безотходностью, экологической чистотой, наноразмерами и возможностями использовать их в любой области науки и техники.

Другими примерами может служить применение методов молекулярно-лучевой эпитаксии через трафарет, методов самосборки за счет поверхностной диффузии и т.п.

В подходах «сверху-вниз» и «снизу-вверх» возможны и промежуточные варианты, например технология материалов и изделий на «пористом» кремнии, когда на подложке монокристаллического кремния методами травления создается наноструктура (то есть, когда вначале по технологии «сверху-вниз» методами травления создается «пористый» кремний, а затем по технологии «снизу-вверх» в созданные поры внедряются частицы примесей).

Необходимо отметить следующее важное обстоятельство. При использовании технологии «сверху–вниз» в конечных наночастицах сохраняется структура исходного материала с большими размерами. Однако при формировании объектов сборкой «снизу–вверх» свойства этих объектов могут определяться как природой и количеством исходных элементов (атомов, молекул), так и их взаимным расположением. Таким образом, нанотехнология позволяет варьировать свойства нанообъектов в зависимости от числа и взаимного расположения атомов. Изготовление нанообъектов с нанометровой точностью дает возможность получать уникальные функциональные характеристики.

Одним из основных направлений развития нанотехнологии является сборка или самосборка деталей и изделий методом поатомного или помолекулярного дизайна.

Самосборка – процесс конструирования наноматериалов по принципу «снизу-вверх», основанный на самоорганизованном формировании различных нанообъектов.

В реализации самосборки могут участвовать следующие механизмы.

- увеличение давления сближает частицы, способствуя их соединению;

- увеличение температуры повышает свободную энергию частицы, способствует разориентированию;

- жидкое состояние способствует диссоциации молекул; нейтральные молекулы становятся заряженными частицами; уменьшаются трение и вязкость; облегчается миграция молекул;

- электрическое, магнитное поля ориентируют диполи вдоль силовых линий.

Отметим, что можно выделить три вида самосборки наноструктурных материалов. Физическая самосборка, ярким примером которой является создание квантовых точек за счет повышенной диффузии атомов по поверхности подложки или методами молекулярно-лучевой эпитаксии. Химическая самосборка, при которой происходит процесс образования крупных молекулярных или кристаллических структур из большого числа атомов или молекул. При этом требуется заданная и воспроизводимая форма этих структур. В данном варианте процесс самосборки может происходить на поверхностях или без них. Наиболее ярким примером таких процессов является образование фуллеренов, нанотрубок и других углеродных материалов. Биологическая самосборка, позволяющая создавать конструкции из биологических объектов, например из ДНК и РНК, и соединение этих объектов с неорганическими молекулами. Элементы «низшего» порядка (атомы, молекулы, фрагменты биологических клеток) располагаются в требуемой последовательности для сборки необходимой конструкции. При таком типе по существу безотходной технологии резко уменьшается материало- и энергоемкость, улучшаются экологические показатели и технико-экономические характеристики изделия. Указанные методы позволяют наносить друг на друга слои атомов разного типа и формировать гетероструктуры – ключевые элементы наноэлектронных устройств.

Для реализации самосборки необходимы:

- определенная структура молекул (тип кристаллической решетки, полярность, намагниченность и т.п.);

- наличие «лекала» (шаблона) (генного кода);

- определенное состояние окружающей среды (например, пониженная вязкость), способствующее подвижности молекул;

- адекватное внешнее воздействие, стимулирующее фазовый переход (например, высокие температура и давление для алмаза) или определенную конформацию (структурообразование) для молекул;

- адресации потоков вещества и информации.

Как уже ранее отмечалось наночастицы можно достаточно точно и надежно установить в требуемых положениях на плоскости, используя щуп туннельного микроскопа в качестве автоматического устройства (робота). Таким образом осуществляется автосборка нанообъектов.

Автосборка – процесс конструирования наноматериалов по принципу «снизу-вверх», основанный на механосинтезе и выполняемый с использованием некоторой автоматизированной системы (например, Сканирующей Туннельной Микроскопии) по заданной программе.

Решение проблемы манипулирования веществом на уровне атомов и молекул предложил Эрик Дрекслер в книге «Машины созидания: приход эры нанотехнологии». Для манипулирования атомами он придумал специаль­ные наномашины, или ассемблеры.

Ассемблер – молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Чтобы представить ассемблеры, нужно сначала наглядно представить, как выглядит молекула. Для этого мы изобразим атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, соединенные между собой кусочками проволоки (несмотря на чрезвычайную простоту такого представления, химики часто используют именно его, строя модели из пластмассовых шаров, связанных спицами в нескольких направлениях). Атомы имеют круглую форму подобно шарам, и хотя молекулярные связи – не кусочки проволоки, наша визуальная модель, как минимум, дает важное представление о том, что связи могут быть порваны и восстановлены (рис. 8).

Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствиис заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами.

Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экспериментальные искусственные наномашины, используя биологический природный материал: аминокислоты, белки, молекулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) – это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разрушаются при повышенных температурах и давлениях (происходит сворачивание белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твердый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных наработок человечества в сфере балк-технологии. Это все то, до чего «не додумалась» природа, от колеса до компьютера. В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины-ассемблеры должны представлять собой синтез живых и технических систем.

Главная задача ассемблера – соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения – двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на «перфолентах» типа цепочек РНК или ДНК.

Внешний вид сборщика можно представить себе как «ящик» нанометрового размера с «рукой» – манипулятором длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипулятора могут служить атомы, молекулы и химически активные молекулярные конструкции. Внутри сборщика размещены устройства, управляющие работой манипулятора, и содержащие программу всех его действий. Поскольку составление больших молекул со сложной структурой потребует особой точности в позиционировании, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов. Возможно, ассемблер будет чем-то похож на паука, при этом одними лапами он будет держаться за поверхность, а другими складывать сложные молекулярные структуры атом за атомом. Наиболее популярная схема наноассемблера представлена на рис. 9.

Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры,программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами и имеющие связь с обычным компьютером, которым управляет человек. Представим, что человек-оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию, особым образом задавая ее молекулярную структуру. «Нарисовав» нужный объект, он передает команду ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом. И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь с заданными характеристиками при минимальном вмешательстве человека.

Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами – наномашинами, способными разбирать объект на атомы с записью его структуры на молекулярном уровне. Например, для создания копии какого-то объекта необходимо, чтобы дизассемблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретически такая копия ничем не будет уступать оригиналу – она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры также помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру.

Ассемблеры будут обладать способностью к репликации (размножению). Когда речь идет об эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплицируется (размножается путем создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.

Таким образом, создав один единственный универсальный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложность их первоначального конструирования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борются за право быть первыми в этом революционном прорыве.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от «проживающих» в организме нанокомпьютеров, излечивающих больные клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.

Сегодня Foresight Institute – базис всех мировых нанотехнологий – обещает $250.000 тому, кто построит наноманипулятор–«руку», которая сможет оперировать на молекулярном уровне.