Нанонауки. Невидимая революция

Жоаким Кристиан

Все эти эксперименты открыли перед наукой новое поле познания и положили начало новому научно-исследовательскому проекту. Первая цель проекта — поощрение разработок, нацеленных на создание экспериментальных установок, строящихся из считаных атомов — атом за атомом — или состоящих из одной-единственной молекулы. Что важно: речь не о потугах сделать примерно то же, что мы умеем и к чему мы привыкли на макроуровне, то есть то, что мы видим и делаем в нашем мире, но только совсем уж в микроскопическом масштабе. Нет, новизна нанопроекта заключается в том, что иные из наноустановок могут иметь гносеологический смысл: иначе говоря, есть шанс, что они заставят нас пересмотреть известные ныне законы физики или как-то их переформулировать — просто потому, что «нашим физическим законам» они не всегда подчиняются. Примеры тому будут рассмотрены в следующей главе.

Вторая цель более фундаментальна.

Изготавливая приборы на квантовом уровне, физики имеют все основания полагать, что смогут увидеть квантовый мир под таким углом зрения, под которым он еще не рассматривался. Выходит, что мы в начале XXI века должны будем неким новым образом испытать все здание квантовой механики. Не означает ли это рождение некой новой научной дисциплины — нанонауки? С новыми законами, вытекающими из манипуляций с веществом атом за атомом? За многие века выработано множество новаторских экспериментальных приемов, но вот новых наук родилось куда меньше. Но, если по ходу исследования «мира внизу» наблюдается какое-то новое явление, которое квантовые законы объяснить не могут, что это, если не рождение новой науки — науки нанометрических масштабов, то есть нанонауки? Ну а если это не так, то ни к чему и изобретать новые ярлыки для области, пусть новой, но вполне поддающейся изучению привычными техническими методами, пускай и предлагаемыми некоторой технологией, тоже новой. Вот ее пусть и называют нанотехнологией. Но не нанонаукой.

Глава 4

Строим памятник? Скорее монумент

Стремясь к конструированию таких приборов и установок, в которых работают лишь одиночные молекулы или считаные атомы, нанотехнология затевает самый настоящий переворот в технологии. В самом деле весь унаследованный порядок миниатюризации опрокидывается с ног на голову. Не удивительно, что такие крошечные установки вызвали острое любопытство у ученых, желавших разобраться в нанофизике. Что, если зайти достаточно далеко по этому новому пути и, скажем, увеличивать молекулу, умножая число входящих в нее атомов? Не удастся ли превратить такую огромную молекулу в вычислительную машину? Или механическую? Это же сняло бы все препоны, мешающие дальнейшей миниатюризации в микроэлектронике и микромеханике: все запихиваем внутрь одной-единственной молекулы, и молекула становится целой машиной. Отсюда и название для подобных молекул-машин — монументальные молекулы. Не потому, что они похожи на памятники, а потому, что они — огромны, монументальны. И тем монументальнее, чем сложнее становится машина, в которую такая молекула превращается.

Прежде чем начинать подобную «монументализацию», следовало бы выяснить: а сколько атомов понадобится, чтобы молекула смогла работать как двигатель, или как приемо-передатчик, или как вычислительная машина? А потом понять, какие «части» понадобятся этой молекуле-машине — чтобы не разваливалась и работала, то есть выполняла порученные ей задачи. И наконец придумать для нее такие технические средства, чтобы она могла получать приказы и/или сообщать о своем состоянии, принимать или передавать энергию, словом, чтобы наладить обмен информацией с машиной-молекулой.

Мысль о монументализации возникла в начале 1980-х годов — именно тогда эту идею высказал Форрест Картер, химик из NRL(Исследовательской лаборатории военно-морского флота). Он работал с токопроводящими полимерами, выстраивая внутри объема полимера длинные молекулы и в таком порядке, чтобы получались пластмассы, проводящие электричество. Изучая подобные длинные молекулы, Форрест Картер вспоминал про ту молекулярную электронику, о которой мечтал Ари Авирам. Идеи о сведении любого компонента электронной схемы к одной-единственной молекуле казались необыкновенно заманчивыми — это помогло бы пробить стену вроде той, в которую уткнулась транзисторная электроника со всеми ее технологиями в конце 1950-х годов. В те времена электронные схемы собирались покомпонентно, деталь за деталью, и вообразить, что в один прекрасный день удастся единым махом соединить миллионы деталей, необходимых для создания процессора вычислительной машины, было просто невозможно. Тем не менее Джек Килби решил эту задачу — в 1958 году он изобрел интегральную схему.

Задача, за которую взялся Картер, тоже на первый взгляд не решалась: как собрать воедино миллионы молекул-компонентов, если в такой схеме соединения будут обычными — то есть металлическими проводами, пускай и очень тонкими? И ведь между молекулами должен оставаться какой-то промежуток, ну, хотя бы в десяток нанометров. И как избавиться при таких масштабах и таком построении без квантовых эффектов? А эти явления наверняка осложнят функционирование любой схемы. И соединения-провода займут столько места, а там проблемы теплоотвода, наводок и т. п. Не лучше ли втиснуть все нужные компоненты в одну огромную молекулу — и дело с концом?

И вот подобно тому, как Джек Килби избавился от затруднений с подключениями и соединениями, придумав электронную микросхему, Форрест Картер предложил решить задачу подключения молекул-компонентов, придумав в 1984 году «молекулярную интегральную схему». Чтобы не ломать голову над тем, как свести каждый компонент (диод, транзистор и т. п.) к одной-единственной молекуле, а потом мучиться с их подключением друг к другу, он предложил воплотить всю схему в одной-единственной молекуле, затолкав в нее все компоненты и все соединения между ними. Физики, разумеется, возмутились, а химики впали в оцепенение! Дожили, ничего не скажешь: мало того, что надо соглашаться с тем, что молекула годится на роль детали в электронных устройствах, так еще нужно признать молекулу, в которой умещается вся электронная схема и, значит, кроме нее, этой молекулы, больше-то ничего и не нужно!

Зато Форреста Картера поддержали отдельные калифорнийские биотехнологи, в том числе Кевин Алмер из компании Genex: эти специалисты взялись так запрограммировать генетически бактерии, чтобы те производили не просто белки, но — сразу же и без необходимости каких-то переделок — требующиеся молекулярные электронные структуры. Французские предприятия Roussel-Uclafи Elf Aquitaine, а с ними и Институт Пастера, поспешили поставить на эту же лошадь. Бойкие французы направили своих посланцев на организованный Форрестом Картером первый Конгресс по молекулярной электронике, куда в числе эмиссаров французской науки попал и Жоэль де Роне, бывший тогда директором по прикладным исследованиям в Институте Пастера [17] . Собравшиеся, однако, обнаружили, что дело, за которое они вроде бы не прочь взяться, какое-то непонятное и ненадежное. Ну да, хорошо бы молекулу подключать через провода, которые свяжут ее с макроскопическим миром и по которым будет осуществляться информационный обмен, но непонятно, как это сделать, — задачка кажется нерешаемой. А вот Ари Авирам в конце 1980-х ухватился за эту мысль о молекуле-схеме и попытался двинуться в этом новом направлении, открывшемся в молекулярной электронике.

17

Rosnay J. Les biotransistors: la micro'electronique de XXIe si`ecle. La Recherche, 1981 Juillet — ao^ut.

Тогда в том же направлении заработала и мысль Эрика Дрекслера, задумавшегося о построении сложных механических машин-молекул, которые использовали бы, скажем, межмолекулярные или внутримолекулярные сцепления. Он придумал несколько вариантов вычислительного процессора, объединяющего в себе достижения молекулярного моделирования. Но на этом этапе монументализация происходила без участия химиков, а машины-молекулы оставались виртуальными, то есть нематериальными. Лишь много позже, с изобретением туннельного микроскопа (а он, напомним, умеет манипулировать молекулами), химики получили возможность так обрабатывать молекулы, чтобы они превращались в процессоры. И, дабы найти пути к чаемому синтезу и наделить его плотью, оставалось лишь упрощать и избавляться от сложностей.

ЯВЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ-МАШИН

Раз уж появились идеи о монументальных молекулах и о молекулах-машинах, а затем и теоретические разработки «виртуальных» молекул-приборов и молекул-установок, то, надо думать, вскоре должны были появиться и первые молекулы-установки «во плоти». Пока что речь не шла о процессоре для компьютера, но эти молекулы-приборы уже умели выполнять кое-какие измерения в «мире внизу». Давайте для начала откроем учебник по физике середины XX века. Там мы найдем немало приборов, придуманных для изучения еще недостаточно исследованных физических явлений. Вот, к примеру, прибор, замеряющий, как меняется проводимость полупроводника или его способность усиливать электрический сигнал в зависимости от температуры, а сам этот прибор сделан из вживленного в поверхность полупроводника кусочка оргстекла с металлизированной поверхностью — то есть, в сущности, это транзистор. А раз уж нанотехнология переворачивает вверх ногами весь порядок производства, то, значит, есть шанс создать нечто новое, где все монтажные точки и узелки будут заменены одиночными молекулами и каждая такая молекула станет и оборудованием, которое используется в эксперименте, и объектом, изучаемым в этом эксперименте.