Я++: Человек, город, сети

На заре микропроизводства чипы обычно выполняли интеллектуальные функции в устройствах нормального размера. Эту тенденцию определил персональный компьютер 1980-х; микрочип там находился в центре большого ящика, заполненного устройствами, обеспечивающими подачу электричества, прием сигналов и выполнение ответных действий. В течение 80-х и 90-х микрочипы встраивались во все более расширяющийся круг крупногабаритных систем – от домашних электроприборов до автомобилей и самолетов. Сегодня, с развитием технологий МЭМС, резко уменьшиться в размерах оказались способны и многие другие устройства, что открывает новые возможности для проектирования. МЭМС могут работать как автономные системы размером с насекомое внутри человеческого тела и в прочих местах, требующих предельной миниатюризации. Запущенные в массовое производство недорогие МЭМС можно разбрасывать, как зерна пшеницы, ими можно окрашивать поверхности, их можно замешивать, к примеру, в бетон. Можно делать из них умные покрытия, фиксирующие изменения окружающей среды и реагирующие соответствующим образом. А установив между ними беспроводную связь, можно создавать системы с распределенным интеллектом.

Восход нанотехнологий

За «микро» идет «нано» – мир, где устройства и системы, размеры которых исчисляются миллиардными долями метра, строятся атом к атому и молекула к молекуле. Идею эту предложил в 1959 году Ричард Фейнман в своем знаменитом выступлении «Внизу еще полно места»⁵. В конце 1980-х Эрик Дрекслер, собравший свои гипотезы в работе «Двигатели создания», поднял новую волну интереса к наномиру⁶. Немногим более десяти лет спустя в США начала работу щедро финансируемая Национальная программа нанотехнологий; подобные же усилия предпринимались в других странах⁷. Научные и технические журналы регулярно публиковали обзорные материалы по теме – то восторженные, то критические⁸. А Майкл Крайтон пугал читателей своего техно-триллера «Рой» мерзкими ордами самовоспроизводящихся наночастиц⁹.

Наноштучки не просто мельче своих микробратьев, они и ведут себя иначе. В дело вступает квантовая физика. Здесь преобладает энергия химических связей и межатомных взаимодействий. Огромная площадь поверхности на единицу объема часто ведет к появлению полезных химических и биологических свойств. Характеристики прочности, удельной мощности, трения, теплопроводности, а также износостойкости и надежности оказываются другими, нежели при больших размерах. Здесь нужно помнить об уязвимости крошечных подвижных частей при столкновении со сравнительно крупными молекулами воздуха. Там, внизу, проектировщикам приходится играть по новым правилам.

Появление сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году позволило увидеть и сдвинуть единичный атом на поверхности образца. С тех пор нанотехнологи разработали целый ряд модификаций сканирующего микроскопа – в частности атомно-силовой микроскоп, – позволяющих передвигать атомы, как кубики Lego. Это дает возможность вручную собирать интереснейшие наноструктуры, но производство таких структур в целесообразных количествах требует эклектичной смеси из методов и техник, используемых в физике, химии, материаловедении, машиностроении, электротехнике и биологии. Многих из устоявшихся границ между этими дисциплинами в наномире просто не существует.

Если микропроизводство основано на контролируемом сверху придании материалу определенной формы, на наноуровне могут происходить определяемые снизу процессы самоорганизации. Как в биологических системах: структуры самопроизвольно выстраиваются из фрагментов атомного и молекулярного уровня, затем объединяются в более крупные и более сложные системы и так далее. Чтобы построить по такому принципу сверхсложные конструкции, нужны механизмы минимизации ошибок и автоматической корректировки на случай, если ошибка все-таки была допущена.

На наноуровне впервые открываются возможности для молекулярной электроники и квантовых вычислений. Наноэлектронные схемы можно выстраивать из молекулярных «проводов»¹⁰ или из квантовых точек – беспроводных структур вроде электромагнитных «ящиков», содержащих определенное количество электронов¹¹. Память и дисплеи компьютеров можно конструировать из углеродных нано-трубок¹². Целые «вычислительные частицы» – взаимодействующие друг с другом в аморфной компьютерной системе – могут уменьшиться так, что будут летать, как пылинки, держаться на поверхности воды, как пыльца, и впрыскиваться в вену в качестве диагностических устройств¹³. А химические и биологические сенсоры смогут засекать одну-единственную молекулу.