ext_5251
.pdf
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
холодильников будут стоять нанофабрики, специализирован ные под производство продуктов питания и изысканных дели катесных блюд, а в мире будет ходить информационная валюта, с помощью которой можно будет купить файлы с новыми про дуктами, предметами и пр.
Не забудем и про спам! Толпы рекламных существ и меха низмов, вылезающих из нанофабрик, подключенных к всемир ной товарообменной сети, станут будить вас каждое утро. Зато друзья всегда смогут переслать вам не только фотографии, из нового путешествия, но и вполне реальные сувениры.
Мечты мечтами, но прежде чем построить первую нано фабрику, человек должен сначала научиться создавать ее мель чайшие детали – наноманипуляторы, с помощью которых фаб рикатор мог бы захватывать отдельный атом, удерживать его, отрывать из одного места и присоединять к другому. Напоми наем, что процесс образования или разрыва химической связи таким механическим способом традиционно называется меха* носинтезом.
Но как это осуществить? Каким образом манипулятор смо жет захватить и удержать атом? “Приклеить” его в нужное место?
Ответ прост. Мы знаем, что атомы “приклеиваются” друг к другу посредством химической связи. Значит, для того, чтобы захватить и удержать отдельный атом, манипулятору придется образовать с ним химическую связь некоторого типа. Добавле ние нового атома в нужное место потребует точно такого же “приклеивания” атома к со бираемому предмету посред ством химической связи, но более прочной, чем связь, удер живающая атом на ма нипуляторе.
Разработка такого мани пулятора – главная цель всей современной нанотех нологии, на сегодняшний момент, к сожалению, ни кем не реализованная. Од нако существуют теорети ческие проекты различных
www.nanonewsnet.ru |
263 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
инструментов механосинтеза, несомненно, заслуживающих внимания. Рассмотрим некоторые из них.
Вспомните, что представляет собой структура любой алма зоидной конструкции: не что иное, как решетку из атомов углерода, соединенных с четырьмя другими атомами ковалентной связью.
Стало быть, в качестве сырья для создания предметов из алмазо ида могут выступать различные уг леводороды (вещества, молекулы
которых состоят из атомов углерода и водорода), широко расп ространенные в природе и промышленности. Примером угле водородов могут служить, например, метан (CH4), бензол
(C6H6), ацетилен (C2H2) и пр.
Поэтому, во первых, необходим инструмент, который слу жит для отщепления от молекулы атома водорода. Такой инструмент был предложен Э. Дрекслером.
“Инструмент Дрекслера” представляет собой “хваталку”, держащую на конце атом углерода со свободной ковалентной связью. Когда инструмент приближается к нужной молекуле на расстояние приблизительно 10,8 нм, атом водорода сразу при соединяется к нему, едва “почуяв” рядом возможность образо вать ковалентную связь с углеродом.
Отщепив водород от молекулы или пове рхности, мы, тем самым, наделяем ее саму ре акционной способностью. Если рабочая зона находится в вакууме, то на место водорода можно механически присоединить другой атом или молекулу, от которой также оторвали водород.
Если же в момент отщепления водорода в рабочей зоне нанофабрики находится в свобод ном состоянии какое нибудь вещество, спо
собное к реакции с углеродом, оно быстро займет место удален ного водорода. Наполнив рабочую зону углеродсодержащими парами, можно легко синтезировать алмазоидные структуры, вот так отщепляя от алмазной пленки водород в нужных местах.
264
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
Антиподом инструмента Дрекслера являет ся “инструмент присоединения водорода”, скон струированный так, чтобы атом водорода, сла бо прикрепленный к его концу, мог легко всту пать во взаимодействие с химически активной молекулой или поверхностью. Чтобы связь бы ла достаточной слабой, водород прикрепляет ся к атому олова (Sn).
Чтобы строить собственно алмазоидную поверхность, не обходим инструмент, способный присоединять к ней атомы уг лерода. За это отвечает “инструмент Фрайтаса”, который мо жет точно прикрепить димер С С к синтезируемой поверхнос ти и затем отсоединиться от нее. Инструмент спроектирован так, чтобы к нему димер прикреплялся относительно слабо и обладал высокой реакционной способностью. Захва тывающим концом инструмента могут быть атомы Si, Ge, Sn, Pb (в порядке ослабевания
связей с углеродом). Эти ато мы удерживаются под большим углом алмазо идными держателями. Инструменты, содержа щие переходные металлы, могут быть полезны как катализаторы различных реакций.
“Инструменты Меркле”– свободные радикалы С, Si и Sn и инструмент со свободной двойной углеродной связью, пред назначенные для выполнения различных вспомогательных операций.
Рис 176. Вспомогательные инструменты
Инструменты присоединения функциональных групп. Суще ствует великое множество таких групп, например, –ОН, СООН, СОО , Сl, NH2 и т.п., способных сильно влиять на функциональность продукта. Каждая из них может быть с од ной или нескольких сторон химически присоединена к угле родным каркасам, образовывая, соответственно, функциональ
www.nanonewsnet.ru |
265 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ные поверхностные структуры и соединительные перемычки. Необходимость создания таких инструментов объясняется, от части и тем, что без некоторых функциональных групп может оказаться невозможным ни создание наноактюаторов, ни сложных наносистем. А ведь без этого невозможно создание и самой нанофабрики.
Кроме того, разрабатываются и другие интересные инстру менты. Например, исследователи компании IBM модернизиро вали СТМ так, чтобы с его помощью отщеплять или присоеди нять к атомам отдельные электроны, что сразу влияет на их ре акционную способность. Химики из Орегонского университета создали хелатор молекулярные «крабовые клешни», которые захватывают отдельные атомы мышьяка.
Несмотря на то, что в настоящий момент пока не существу ет инструментов, способных так изящно манипулировать ато мами, некоторые практические шаги в этом направлении все же сделаны. То и дело в новостных рассылках появляются сооб щения об изобретении того или иного устройства, способного манипулировать если не единичными атомами и молекулами, то небольшими кластерами, что уже очень неплохо.
Одним из лидеров в этом направлении является компания Zyvex, которая уже на протяжении нескольких лет выпускает МЭМС системы из четырех скоординированных между собой наноманипуляторов с тремя степенями свободы каждый, пред назначенных для захвата, измерения, позиционирования и сборки микро и наноразмерных образцов. Устройство обеспе чивает как грубое позиционирование каждого манипулятора на 12 мм по всем трем осям с разрешением 100 нм, так и точное
позиционирование с разреше нием менее 5 нм. Манипулято ры представляют собой микро пинцеты различной конфигура ции, обеспечивающие микрос борку, манипуляцию и анализ частиц размером до 500нм.
Применяются такие устрой ства в основном при разработ ках в области энергетики, мате
* Перепечатано с www.zyvex.com
266
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
риаловедения, изучении поверхностей, в электронике, биотех нологии и т.д. Современные нано манипуляторы – это слож ные механизмы, довольно большие и тяжёлые (даром, что но сят приставку «нано»), а главное, очень дорогие – десятки ты сяч долларов.
Вот если бы удалось создать аналог с более умеренной це ной, то, представьте, сколько не больших лабораторий, компаний и изобретателей смогли бы поп робовать свои силы в нанотехно логиях. Именно об этом думает профессор Массачусетского тех нологического института Мартин Калпеппер, собравший нанома
нипулятор HexFlex почти что из подручных материалов.
Его манипуляторы просты (но эта та простота, для дости жения которой потребовалось много бессонных ночей), компа ктны и дёшевы, а изготовить их легко без применения каких либо «супернавороченных» технологий. Упрощение конструк ции позволило умельцу создать самый маленький в мире нано манипулятор – диаметром менее миллиметра.
Но использование механических наноманипуляторов для оперирования атомами и наноструктурами – не самый изящ ный вариант. Вспомним, что в квантовом мире волны столь же осязаемы, как частицы, и сразу на ум приходит идея манипуля торов, состоящих из… света.
Исторически первенство в оптическом манипулировании атомами принадлежит отечественным ученым. Метод “микро управления светом” был впервые применен в 1979 году советс кими физиками под руководством Владилена Летохова из Инс титута спектроскопии, которые сумели затормозить атомы нат рия с помощью пучка света. В 1986 году американские исследо ватели из компании Bell продемонстрировали действие так на зываемого “оптического пинцета”.
Когда лазерный пучок неоднороден, частица втягивается в область наибольшей яркости излучения – как шарик скатыва ется в низину. Это происходит потому, что при изменении нап
* Перепечатано c http://psdam.mit.edu
www.nanonewsnet.ru |
267 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 179. Оптический наноманипулятор
равления потока фотонов (обладающего, как и все квантовые частицы, импульсом) возникает сила, сдвигающая пойманную частицу. Перемещая фокус луча, можно передвигать “пойман ные” нанообъекты или даже выстраивать из них разнообразные конструкции.
Лазерные лучи, гораздо более нежные чем механические «лапы» обычных манипуляторов, охотно применяют биологи для захвата клеток, молекул ДНК, хромосом и т.п.
В последнее время были созданы еще более замечательные оптические инструменты. Применяя специально подобранные линзы, инженеры формируют лучи с заданными свойствами – так называемые Бесселевы пучки. Силы в них действуют вдоль луча или с вращением вокруг его оси. Захватывая нанообъекты, эти пучки способны двигать их вдоль луча или вращать. В Са марском Институте систем обработки изображений группа под руководством Виктора Сойфера использовала пучки Бесселя, лазерный луч в которых закручивался в спираль при помощи специальных линз – дифракционно оптических элементов. Используя всего один такой элемент, удалось захватить, пере
мещать и медленно вра щать микроорганизмы дрожжей диаметром 5–10 микрон и частицы полис тирола. Ученые надеются, что при помощи этих тех нологий смогут работать приводы в наномеханиз мах будущего.
268
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
Тем временем американская военная компания Arryx соз дала специальный жидкий кристалл, разделяющий лазерный луч на 200 отдельно управляемых лучиков, каждый из которых может манипулировать нанообъектами. С помощью этой сис темы уже удалось аккуратно размещать нанотрубки на поверх ности чипа, что позволит строить сверхбыстрые наночипы.
Мы не раз уже говорили о сходстве природных и искус ственных наномашин. Раз они так похожи, то почему бы не пойти в создании наноманипуляторов еще одним путем: пой мать каких нибудь микробов и привлечь к труду – например, сборке нанодеталей. Именно к этму стремится американский ученый Роберт Хэймерс. Он уже научился манипулировать жи выми бактериями с помощью электромагнитного поля.
В опыте участвовали бактерии Bacillus mycoides. Они имеют форму прутка длиной 5 микронов и диаметром 800 нанометров. Бактерии поместили в водно глицериновый раствор, покрыва ющий кремниевый чип. На золотые электроды подали пере менное напряжение с частотой 1 МГц. В результате бактерии выстроились вдоль силовых линий электрического поля, каса ясь с двух сторон электродов. Микроорганизмы послужили своего рода нанопроводниками, пропуская небольшой ток, с помощью которого исследователи установили их местораспо ложение. Затем, создав медленный ток жидкости, исследовате ли смогли перемещать бактерии вдоль электродов.
Хэймерс предлагает использовать бактерий для перемеще ния и сборки нанодеталей квантовых точек, нанотрубок, на ночастиц. На детали наномашин планируется наносить белко вые маркеры, комплементарные (взаимно соответствующие) маркерам на поверхности микроорганизмов. Затем бактерии перемещают в нужные места и осуществляют сборку.
Преодоление проблемы массового производ ства наноструктур
Камнем преткновения нанотехнологии, основанной на зондовых методах, является невозможность организации мас сового производства высокотехнологичных товаров. Результа ты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотех нологии, уже достигнуты, но технологии массового производ ства тех же наноэлектронных схем (подобно планарной крем
www.nanonewsnet.ru |
269 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ниевой) как таковой не существует. Конечно, нанофабрика ре шила бы эту проблему в два счета, однако до ее создания, по видимому, еще очень далеко. Тем не менее, уже сейчас развива ется множество перспективных направлений массового произ водства наноструктур.
Электроосаждение
Группе российских ученых из МГУ под руководством Гали ны Цирлиной удалось разработать весьма любопытный способ получения наноструктур, пригодный для их массового про мышленного производства. Наноструктуры здесь получают при комнатной температуре электроосаждением нанокристаллов различных оксидов.
Электроосаждение – очень простой процесс: ионы оксидов металлов в растворе электролита оседают на заряженный элект род под действием тока. Управляя изменениями тока во время осаждения, можно манипулировать ростом оксидов и получать нанокристаллы разной формы и структуры.
А ведь существует так много разных оксидов! Например, из оксидов рутения этим методом можно получить сверхъемкие конденсаторы удельной емкостью 100 Ф/г – в сто тысяч раз больше, чем у конденсаторов в обычной лампе дневного света! Чемоданчика таких наноконденсаторов хватило бы, чтобы сдвинуть с места огромный корабль или поразить его молнией.
Из оксидов вольфрама осаждают электрохимические сен соры, чутко реагирующие на малейшее содержание нитратов (то есть можно выбирать экологически чистую репку на рын ке), устройства электрохимической энергетики (помните мощ ный взрыв, вызванный маленькой топливной ячейкой из “Тер минатора III”?).
Осаждая поочередно слои оксидов двух разных металлов, получают биметаллический нанокомпозит для устройств маг нитной записи или электрохромные (меняющие цвет под действием тока) устройства. Более того, осаждением наноокси дов нашим ученым удалось получить сверхтонкий высокотем пературный сверхпроводник.
Мягкая литография
Обычная фотолитография прекрасно зарекомендовала себя в случае, когда необходимо разместить как можно большее ко
270
ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии
личество элементов на маленькой площади полупроводнико вого кристалла. Однако она совершенно не подходит для случа ев, когда те же элементы нужно разместить по большой площа ди, на иных материалах или не на плоских поверхностях.
Технология размещения наноструктур на любых поверх ностях, названа “мягкой литографией”. Она не требовательна к качеству и форме подложки, а потому применять её можно для неровных и гибких поверхностей и даже объёмных фигур.
В качестве примера, демонстрирующего возможности но вой технологии, исследователи из Иллинойского университета (США) показывают полусферу, покрытую матрицей фоточув ствительных транзисторов и способную сыграть роль основно го элемента для широкоугольного цифрового фотоаппарата.
Делают ее так: сперва на выбранную поверхность наносят тонкие плёнки алюминия, кремния и нитрида кремния. Потом поверхность нагревают и методами зондовой микроскопии “рисуют” на ней определенную наноструктуру с характерными размерами в десятки нм. Затем штампуют ею мягкую полимер ную матрицу, которую потом подвергают облучению для зат вердения.
Минимальные размеры элементов, создаваемых этим спо собом, составляют около 10 нм, что позволяет, в принципе, осу ществлять очень плотную запись, но производительность и на дежность оставляют желать лучшего. Тем не менее, мягкую ли тографию ждёт большое будущее.
Рисование и печать
Очень удобный способ нанесения наноструктур на поверх ности предложила компания NanoInk, выпускающая самые ма ленькие авторучки на Земле. Точки, линии и буквы, выходя щие из под их “пера”, примерно в десять тысяч раз меньше тех, что создаются с помощью обычной шариковой ручки. Но в от личие от макроскопических “коллег”, данная ручка представ ляет собой зонд АСМ с наконечником из нитрида кремния.
Когда АСМ используется по прямому назначению, возни кает проблема: на наконечнике конденсируется влага из окру жающего воздуха, что ухудшает качество измерений. Оказа лось, частицы воды в образующейся капельке постоянно дви жутся – от наконечника к поверхности и наоборот. Это свой ство решили использовать для перемещения вместе с водой мо
www.nanonewsnet.ru |
271 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
лекул “чернил”. Меняя уровень влажности в приборе, задают размер капельки и ширину линии. Ширина линий составила всего несколько десятков молекул, а толщина одну молекулу. Эту технологию окрестили “перьевой нанолитографией” (dip pen nanolithography).
Рис 181. Cистема кантилеверов «авторучек» и внешний вид установки DPN*
Перьевая нанолитография имеет много достоинств: в каче стве "чернил" можно использовать все, что угодно, а писать можно на любой поверхности. "Атомная ручка" найдет приме нение в наноэлектронике: с ее помощью на площади в один квадратный дюйм можно прочертить до 1 млн. линий. Экспер ты отмечают также относительную дешевизну устройства.
Авторучка – хорошо, а принтер лучше. Установки, содер жашие матрицы управляемых зондов авторучек (как в «много ножке») вполне могут пригодиться в серийном производстве наноэлектронных устройств. Обратите внимание, что, в отли чие от обычной литографии, здесь не нужно трудоемкое изго товление фотошаблона, а значит, станки «нанохудожники» смогут переключаться на производство все новых и новых на ночипов сразу как только инженеры будут их разрабатывать. Таким образом, одна и та же фабрика сможет производить мно жество разных типов микросхем.
Биосинтез
Другой перспективный инструмент создания наноструку тур – биологические наномашины. Нэд Симэн из Нью йоркского университета уже создал из молекул ДНК “фабрику” по производству одного единственного полимера. Размеры устройства составляют всего 110x30x2 нм. Оно состоит из двух
* Перепечатано с www.nanoink.net
272