Нанонауки

Итак, неуемная миниатюризация оторвалась от электроники и вторглась в другие уделы. Ее нашествие всегда и повсюду сопровождалось немалой сумятицей: много волнений, например, вызвала ее атака на механику. Станки и машины, предназначенные для производства деталей посредством точения, фрезерования и сверления, дошли до предела точности. Еще удавалось изготавливать прекрасные детали с допуском порядка одного микрометра, но двигаться дальше, казалось, уже некуда. В 1980-е годы в Калифорнийском университете оптимизацией обработки оксида кремния занимался Рихард С. Мюллер — он искал способы введения изоляторов в интегральные схемы. Знакомство с фотолитографией подсказало ему мысль о новом методе формирования микродорожки: пластинка кремния покрывается слоем оксида кремния и на поверхности этого оксидного слоя рисуется дорожка, которая потом гравированием врезается в собственно кремниевую пластинку. Из этой разработки родилась вся кремниевая микромеханика: процедуры, освоенные микроэлектроникой, вытеснили все привычные процессы, и детали, производимые методами микромеханики, стали совсем крошечными, и, главное, резко повысилась точность допусков и посадок. Размеры деталек съежились с величин порядка 100 мкм до считаных микрометров, а допуск точности уменьшился До нескольких нанометров. Потом из кремниевой микромеханики родились так называемые «микроэлектромеханические системы» (МЭМС — MEMS), под которыми подразумевались механические элементы (датчики, исполнительные механизмы и пр.) собственно электроники: эти устройства или принимают какой-то (не электрический) сигнал, или подают (электрическую) команду механическим элементам. И микроэлектронная промышленность начала производить МЭМС в количествах, сравнимых с количествами произведенных транзисторов, и при этом с малыми издержками.

МЭМС образовали маленькую — и не очень вместительную — иерархию самых мелких деталей и механизмов пока еще микронного масштаба: производились дорожки, насосы, клапаны, пружины, зажимы, зубчатые передачи с микрометровыми шестернями — речь шла уже о десятых долях микрометра (1 мкм = 1000 нм; 100 нм = 0,1 мкм). Подобные механизмы порой приводятся в движение электрическими моторчиками размером с красное кровяное тельце. МЭМС применяются в печатающих устройствах — в тех узлах, которые разбрызгивают красители, наносимые на бумагу; для управления миниатюрными зеркалами в видеопроекторах или для повышения быстродействия джойстиков, применяемых в видеоиграх. Сегодня МЭМС трудятся в фотоаппаратах, видеокамерах, часах, кардиостимуляторах и на них приходится 20–40 % стоимости современного автомобиля. Желающим примеров можно указать на датчики давления в кондиционерах и системах обеспечения внутреннего климата в конторских помещениях, на измерители силы торможения, на индикаторы уровня топлива в бензобаке и на сенсоры надувных подушек в автомобилях (в самых «навороченных» моделях устанавливается до шести различных измерителей ускорения).

Высокие достоинства МЭМС очевидны. Они благоденствуют, продолжая извлекать выгоды из прогресса литографии, о котором печется могучая старшая сестра — микроэлектроника, располагающая и исследовательскими лабораториями, и ресурсом для освоения лабораторных новинок. К примеру, кремний производится в виде брусков толщиной в 100 нм, то есть в тысячную долю толщины волоса, но длина бруска — 100 мкм. Увеличим эту мелкоту до привычного нам масштаба: пусть длина бруска равна метру. В таком случае его толщина будет равна миллиметру — понятно, что в нашем мире это невозможно (брусок сломается под собственной тяжестью).

Но в мире расстояний, измеряемых микрометрами, такие бревна или прутья (или микрорычаги) существуют и при этом не только не ломаются, но даже не гнутся. Правда, они колеблются, и частоты этих колебаний весьма высоки. Эти вибрации вызываются тяжелыми молекулами: когда некая молекула усаживается на микробрусок, частота его колебаний меняется, и нетрудно догадаться, что изменение частоты определяется массой чужой молекулы. Важно не замерить эту массу (массы молекул давно известны), но заметить ее присутствие. А колебания микробруска (точнее, изменение этих колебаний) помогают опознать именно вот эту молекулу среди миллиона других молекул.