Нанотехнологии

С другой стороны, стоит задуматься над тем, что проблемы точности в малых масштабах могут трансформироваться и принимать более приемлемые формы. Подумайте, например, над тем, что если обрабатываемые изделия содержат всего около сотни атомов, а вам необходима точность в 0,5 %, то задача сводится лишь к удалению или добавлению всего нескольких атомов, после чего изделия могут стать почти одинаковыми. На атомарном уровне точности числа атомов в объектах могут различаться на один атом, то есть сверхмалые изделия при этом в некотором смысле должны быть совершенно одинаковыми.

Мне представляется, что в качестве метода изготовления микроскопических объектов может эффективно использоваться классическое «литье» деталей или целых изделий. В сущности, кроме каких-то специфических атомарных ограничений, ничто не мешает нам изготавливать формы и отливать микроскопические объекты по точно заданному образцу. Более того, мы уже частично занимаемся таким производством, поскольку все чаще в технических процессах используются так называемые реплики. В разных производствах их называют образцами, шаблонами, отпечатками и т. д., но это не меняет сути, поскольку речь идет именно о создании копий (чаще всего по биологическим образцам) в виде кремниевых или ацетатных «отливок». Строго говоря, получаемые на электронном микроскопе изображения являются вовсе не «изображениями» реальных объектов, а их репликами, или «отливками», полученными иных средах и материалах. Этот процесс может быть фактически развит для всех масштабов исследования и производства.

Исторически создалась ситуация, когда ученые постоянно оглядываются на биологию, рассматривая природу в качестве образца для подражания. Это отношение сложилось так давно и является столь утвердившимся, что его не могут поколебать даже явные недочеты эволюции (природа действительно не смогла создать колеса!). Очень многие наши успехи связаны именно с отказом от природных аналогов, например, самолеты оказались эффективнее и перспективнее всех вариантов летательных аппаратов типа махолетов, подражающих полету птиц. Я хочу сказать, что биология выступает учителем науки, но она вовсе не является идеалом, и мы вполне можем придумывать методы, не существующие в биологии. Например, если требуется изготовить особо гладкую деталь из твердого материала, мы можем применить заполненные особыми молекулами жидкие «мешочки», способные изменять форму под воздействием электрического поля (в какой-то степени они напоминают хорошо известные в биологии структуры, именуемые «сумками»). Регулируя вязкость этих мешочков в разных местах, мы можем по-новому организовать процесс обработки поверхностей, а именно – организовать его так, чтобы шлифующие частицы «затвердевали» или «размягчались» (под воздействием электрического поля) именно в требуемых участках обрабатываемых деталей.

20.8. Трение и прилипание

Давайте попробуем определить характерные особенности интересующих нас сверхмалых устройств. Прежде всего бросается в глаза, что их малые размеры и ничтожный вес позволяют развернуть производство в огромных количествах экземпляров. Стоимость материала в таких процессах становится совершенно несущественной, так что фактическая цена изделия зависит лишь от расходов на производство деталей и их сборку.

С другой стороны, весьма важно, что свойства микроскопических частиц существенно отличаются от свойств тех же материалов в объемной форме, поэтому, например, две особо чистые частицы металла могут просто слипнуться под воздействием сил молекулярного притяжения, в результате чего детали создаваемого механизма не смогут свободно двигаться из-за непомерно возросшего трения. Конечно, нам придется в этом случае придумывать особые методы борьбы с трением (например, покрывать металлические частицы оксидным слоем или наносить на них специальные вещества, играющие роль смазки), но такие действия, естественно, будут усложнять технологию и создавать новые проблемы.

В целостных объектах силы притяжения и трения отсутствуют, однако и в этом случае могут возникать неожиданные проблемы. Например, любые детали в микроскопическом устройстве могут «трястись» под воздействием броуновского движения до тех пор, пока вся молекулярная «конструкция» не выработает единого характера поведения, что может создавать какие-то дополнительные возможности для практического изготовления и применения таких систем.

Должен признаться, что я никак не могу выработать собственного отношения к проблеме микроскопических машин. Мне самому они кажутся очень интересными и привлекательными, но я несколько устал думать о них и с нетерпением жду, когда кто-либо найдет им, наконец, возможности полезного и эффективного применения. Как только микроустройства станут реально использоваться в промышленности, ученые и инженеры обратят на них серьезное внимание и приступят к решению множества интересных научно-технических задач.

20.9. Вычисления с использованием атомов