Механосинтез и нанофабрики

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  им Н. П. ОГАРЕВА» 

Светотехнический  факультет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 
 

1. Механосинтез  и нанофабрика…………………………………………………3 

2. Механосинтез  в молекулярных нанотехнологиях…………………………..11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Механосинтез  и нанофабрика 
 

     В последнее время бурное развитие электронной, атомной, силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие информационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за поведением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей.

     На  рисунке изображена поверхность CD-ROM диска с атомарным разрешением – продукт современной визуализации наообъектов. 
 

     

     Рис. 1 – Рельеф CD-ROMа, атомарное разрешение 
 

     Кроме того, современная прецизионная техника  позволяет не только визуализировать  отдельные атомы, но даже манипулировать ими – катать по поверхности, переставлять с места на место и т.д.

     Об  успехах в этом направлении говорит популярность так называемой “нанолитографии” – выкладывания из атомов различных “рисунков” на поверхности подложки.

     На  рисунках представлены несколько примеров подобного “нанорисования”. 
 
 

                            

     а) б) 

Рис. 2 - а) иероглифы, выложенные атомами железа на поверхности меди,

             б) “пляшущий человечек” выложенный молекулами СО 

     Выкладывать по подложке различные “атомные рисунки”, конечно, интересно, но имеет ли это какой-нибудь практический смысл? Ведь одна из главных идей нанотехнологии состоит в том, чтобы производить обычные, необходимые человеку вещи, такие как еда, одежда, мебель, оргтехника и т.п., но улучшенного качества и из простого сырья.

     Поэтому, несмотря на успехи микроскопии, до настоящей нанотехнологии, в том виде, в котором её описывал Дрекслер, сканирующим методам еще далеко. Согласитесь, сложно представить себе массовое производство какого-нибудь продукта, основанное на работе сканирующего микроскопа, поатомно собирающего каждый предмет.

     Даже если мы будем размещать атомы со скоростью один атом в секунду (что соответствует скорости современных нанотехнологических установок), то сборка малюсенькой батареечки для наручных часов заняло бы более 1017 лет, что в десять миллионов раз превышает возраст нашей Вселенной!

     Конечно, при виде подобных чисел может  показаться, что нанотехнология по Дрекслеру невозможна в принципе. Но ведь это происходит только оттого, что мы подходим к ней с привычной для нас точки зрения: измеряем расстояние и время в макроскопических величинах – метрах и секундах.

     Но  в наномире действуют совсем иные величины: миллиардные доли метра  и миллиардные доли секунды. Если б мы были нанометровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим “громадным” глазом, мы бы успели основать и построить наноскопический Санкт-Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет!

     Таким образом, нанометровые инструменты  и манипуляторы, в отличие от современных  макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если движение большой и тяжелой “руки” макроскопического робота-сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими “ручонками” за миллиардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные доли ватт.

     Кроме того, промышленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 1017 наноманипуляторов. С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскопическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет “штамповать” десятками тысяч штук в секунду!

     Возможность производить любую вещь по желанию ее владельца издревле будоражила умы людей. Вспомните хотя бы мечты алхимиков о философском камне. И вот в конце ХХ века, имея за плечами более основательный багаж знаний о природе, чем в Средние века, человечество вновь возвращается к своей древней мечте, предлагая в качестве подобной “скатерти-самобранки” идею нанофабрики – небольшой установки, способной на молекулярном уровне создавать различные предметы. 

       
 

     Рис. 3 - Схема процесса сборки продукции  в нанофабрике 

     Впервые о подобной нанофабрике упоминал еще основатель нанотехнологии Э. Дрекслер. Впоследствии другими учеными было предложено огромное количество проектов молекулярной нанофабрики, среди которых наибольшую популярность получили проекты, основанные на конвергентной и параллельной сборке.

     Идея  конвергентной сборки принадлежит Крису Фениксу – директору Центра ответственных нанотехнологий CRN (Center For Responsible Nanotechnology, CША). Ее суть заключается в том, что конечный продукт составляется из маленьких кубиков, последовательно объединяющихся во все более крупные “строительные блоки”. Весь процесс осуществляется с помощью так называемых фабрикаторов, способных захватывать отдельный блок, перетаскивать его в нужное место и соединять химическими связями с другими.

     Фабрикатор, являясь ключевым устройством нанофабрики, представляет собой управляемое устройство, способное комбинировать атомы друг с другом, создавая различные химические связи между ними. Фактически, фабрикатор – это наноманипулятор, связанный с компьютером и линией доставки сырья. В отличие от мобильного наноробота-ассемблера он неподвижен и привязан к какой-либо основе.

     Итак, процесс конвергентной сборки выглядит следующим образом: сначала самые маленькие фабрикаторы создают из атомов элементарные “кирпичики”. Затем фабрикаторы побольше берут эти “кирпичики” и соединяют их друг с другом в более крупные блоки.

       Эти блоки, в свою очередь,  также соединяются между собой  фабрикаторами третьего уровня  и т.д. Весь процесс повторяется до тех пор, пока необходимый продукт с заданной пользователем формой, структурой, размерами и пр. не будет собран полностью. 
 

 

Рис. 4 - Схема конвергентной сборки 

     Весь  процесс напоминает роботизированную сборку изделия на обычной фабрике. За счет того, что сборка на самом деле происходит не поатомно, а все возрастающими блоками, время производства конечного продукта не выходит за рамки разумного.

     Суть  параллельной сборки еще проще: матрица из множества одинаковых наноманипуляторов, работающих одновременно, создает необходимый предмет, как бы наращивая его слой за слоем. 

       

     Рис.5 - Схема параллельной сборки 

     Если  мы хотим произвести продукт высотой 1 мм, это потребует укладки 100 тысяч  атомных слоев. Если один сборщик будет обслуживать поверхность около 5000 атомов и укладывать 4 слоя в секунду, сборка полного продукта займет несколько часов. Таким образом, скорость работы сборщиков должна быть не меньше 20.000 атомов в секунду. Конечно, ломать _ не строить, но, как мы уже писали, современный атомный томограф разбирает поверхность с такой же скоростью, успевая записывать параметры каждого атома.

     Предполагается, что первые примитивные нанофабрики смогут строить предметы на основе алмазоида, благодаря относительной легкости образования ковалентных связей между атомами углерода. Теоретические расчеты показывают, что создание алмазоидных поверхностей и структур методами механосинтеза вполне осуществимо. Необходимо только иметь поатомное описание вещи, которую надо собрать (оно должно включать как взаимное расположение атомов и их типы, так и химические связи между атомами).

     Чтобы выпускать продукт в больших  количествах, производство должно быть автоматизировано и поставлено на поток.

     Если  на сегодняшний день НЭМС-системы изготавливаются долго и с большим трудом, то нанофабрика значительно облегчит их производство и тиражирование. Также нанофабрика сможет делать свои копии, т.е. реплицироваться.

     Ну  а как же сделать саму нанофабрику, состоящую из триллионов отдельных  фабрикаторов? Построить нанофабрику  с помощью одного фабрикатора  будет сложновато.

     Скорее  всего, несколько фабрикаторов объединят в блоки мини-фабрик, которые соберут фабрику побольше, и так до тех пор, пока это производство не достигнет макроскопического уровня. Результатом этого “производственного роста” и будет искомая нанофабрика.

     На  первый взгляд идея саморепликации механизмов, пусть даже молекулярных, вызывает некоторое недоверие – как такое возможно? Но природа создала множество разнообразных «репликаторов» (ДНК, вирусы, животные), а последние исследования НАСА (Национального аэрокосмического агентства США) показали, что искусственные машины, делающие свои копии, могут быть не сложнее, чем существующий чип Pentium IV.

     Компания General Dynamics совместно с НАСА провела исследования возможности постройки реплицирующихся клеточных автоматов. Математическое моделирование этих систем продемонстрировало возможность постройки репликаторов вообще и нанорепликаторов в частности.

     Интерес НАСА к репликаторам объясняется просто: для освоения Луны и тем более Марса потребуется огромное количество оборудования и рабочих рук – даже больше, чем люди использовали для освоения Земли (другие планеты ведь надо еще терраформировать – переделать атмосферу, построить дороги и т.п.).

     Запускать туда миллионы космических кораблей с миллиардами тонн грузов нереально  и дорого. Зато небольшая команда  макроскопических роботов-репликаторов весом всего 20 тонн сможет размножиться и самостоятельно построить все необходимые рудники, электростанции, заводы и фабрики.

     Для участия в этом проекте НАСА, кстати, пригласила Роберта Фрайтаса – известного специалиста по нанороботам. А самих репликаторов придумал в 1960-х основатель кибернетики фон Нейман, правда, только в теории – тогда никто не ожидал, что вскоре они вплотную приблизятся к реальности. По предварительным расчетам, построение первого репликатора займет около 10-15 лет.

     Нанофабрика будет иметь блочную конструкцию, чтобы можно было легко сделать ее копию с помощью другой нанофабрики. Блочная система также будет удобна для производства различных компонентов НЭМС-систем, нанокомпьютеров и нанороботов.

     Каждый  фабрикатор должен быть способен произвести наноблок размерами 200х200х200 нанометров. Эта структура принимается К. Фениксом как элементарный “кирпичик” нанофабрики. Подобный наноблок может содержать нанокомпьютер (механический или квантовый) или системы привода нанофабрики, генераторы, части конвейеров и наноманипуляторов.

     Для изготовления одного такого наноблока фабрикатору понадобится несколько часов. По теоретическим расчетам Криса Феникса, одна готовая нанофабрика сможет всего за два дня произвести свою точную копию. На первый взгляд – долго.