Нанонауки. Невидимая революция
Шрифт:
Про азбуку Морзе и радистов, «работающих на ключе», знает всякий поклонник фильмов о Диком Западе: оператор в высокой кепке козырьком назад с бешеной скоростью выстукивает на телеграфном ключе сообщение, передающееся из здания вокзала по телеграфным проводам куда-то в синюю даль. Сам телеграфный ключ — это такое коромысло, качающееся туда-сюда: оператор давит на рукоятку этого рычага-коромысла, под которым установлена пружина, и рычаг замыкает электрические контакты, а когда давление на рукоятку ослабнет, пружина вернет рычаг в исходное положение, и контакты разомкнутся. Таким образом, возникает вереница электрических импульсов, длинных и коротких, они и передаются по проводам.
Не так давно придумали молекулу, которая годится на роль телеграфного ключа. Коромыслом служит веточка молекулы, удерживаемая в положении, параллельном поверхности. Конец этой ветви закреплен с помощью химической связи (вот вам и пружина) на молекуле с четырьмя ножками, поддерживающими саму молекулу на центральной площадке. Второй конец коромысла висит в воздухе — и, касаясь его иглой микроскопа, оператор превращается в телеграфиста позапрошлого века.
Сама молекула
Выходит, мало сказать, что молекула — это лаборатория, в которой ставится эксперимент: на самом деле опыт производится с атомами, с группами атомов, находящимися на некоторой поверхности. Число этих атомов можно увеличить, но если оно и возрастет, то не намного превысит то количество, которое требуется для создания экспериментальной установки. Так, Дон Эйглер поставил эксперимент с атомным магнетизмом внутри эллиптической ограды, построенной на поверхности медного кристалла из 36 атомов кобальта: игла туннельного микроскопа передвигала по этой поверхности атом за атомом, пока не возник замкнутый овал. Атомы кобальта были выбраны на роль штакетин в заборе, потому что они отражают квантовые волны, возникающие из-за беспорядочного передвижения несвязанных электронов, блуждающих по медной поверхности. Длина такой волны 1,5 нм, и это удобно для наблюдения волновой интерференции внутри загородки размером в несколько нанометров, огражденной атомами кобальта. И Дон Эйглер получил изображения этой интерференции электронных волн на своем туннельном микроскопе — вроде кругов, расходящихся по воде: концентрические окружности разного диаметра. Картинки победоносно облетели всю планету. Еще бы — более чем убедительное доказательство волнового характера тех состояний, в которых пребывают электроны на поверхности металла. А потом Дон Эйглер слегка изменил условия опыта, поместив, с помощью той же иглы микроскопа, в фокус эллипса намагниченный атом. И обнаружил магнитное эхо… в другом фокусе, где никакого атома не было. Налицо магнитный мираж — это эффектное явление возникает благодаря переносу магнетизма из одного фокуса эллипса в другой через электронное облако, висящее над металлической поверхностью. Разумеется, подобное явление можно воспроизвести в любых масштабах и с любыми длинами волн, хоть световых, хоть звуковых. Достаточно подобрать эллиптический резонатор подходящего размера: желательно, чтобы величина резонатора была соизмерима с длинами интерферирующих волн (и чтобы вдоль резонатора укладывалось целое число четвертей волны).
Обратимся теперь к механике. Чтобы молекула смогла стать механической установкой, ее следует оснастить всеми деталями, необходимыми для выполнения стоящих перед нею задач. Это означает, что такие молекулы будут сложнее тех, что уже описаны нами, потому что понадобятся различные механические узлы (и для их закрепления сильные химические связи). В 2001 году мы придумали молекулу-тележку с ручкой и назвали ее «молекулярной тачкой». Длина этого агрегата — 1,2 нм. У нее спереди два молекулярных колеса диаметром 0,7 нм, и крепятся они, как положено, на оси; сзади же — ножки, такие же, как у макроскопической тачки. И наконец, два рукава сзади — вместо рукояток. Вот что удается смастерить с помощью всего лишь одной иглы туннельного микроскопа. Первым такую тележку соорудил Гвеналь Рапенн в CEMESв Тулузе, потом Леонгард Гриль и Франческа Мореско из Берлинского университета, начавшие «предпусковые и пусковые испытания», по ходу которых испытывались качества тележек. Предвыпускная фаза состояла в выпаривании молекул — чаще всего это выглядело как прокаливание порошка в небольшом тигле. Тигель обычно разогревали до 150–250 °C, размещая его так, чтобы часть молекул попадала на поверхность. Но чтобы прокаливать молекулы побольше и получать молекулярные тачки, нужны температуры порядка 350–450 °C. В таких условиях, однако, 95 % молекул-тележек ломается или на выходе из тигля, или уже на поверхности. А из тех молекул, которые все-таки целыми добираются до поверхности, есть такие, которые выглядят тележками с двумя, тремя, а то и четырьмя колесами. Многие, хоть и целы, но все равно не годятся, из-за слишком короткой оси, например. Словом, все это — сломанные или полуразобранные «тачки», с теми или иными дефектами. А поскольку эти осколки и обломки тележек оставляют тигель сильно раскаленным, то, попадая на поверхность, они не только образуют беспорядочные нагромождения атомов, но и взаимодействуют между собой, в том числе химически, в результате чего возникают все новые и новые — и совсем малые — молекулы.
К счастью, довольно много тележек все-таки благополучно добирается до поверхности. И мы попробовали подтолкнуть одну такую тачку сзади — иголкой туннельного микроскопа. Надеялись, что колеса станут вращаться, а тележка продвинется вперед. Куда там! После нескольких попыток — мы очень старались, чтобы ножки были наклонены и не мешали движению — стало ясно, что передние колеса никак не хотят поворачиваться. Потом, но много позже, мы поняли, что, наверное, колеса слишком сильно сцепляются с металлической поверхностью. Эта неудача — красноречивое свидетельство трудностей, с которыми сопряжены попытки воспроизвести в «мире внизу» строение машин, работающих в нашем макроскопическом мире, то есть строить механические молекулы-машины такими же, как известные нам механизмы, только в наномасштабе, очень непросто.
Тем временем профессор химии в Университете Райса в Техасе Джеймс Тур занялся изучением молекулы-коляски. Он синтезировал нанокарету — молекулу длиной 1,5 нм. И снабдил экипаж четырьмя колесами — каждое колесо представляло собой молекулу фуллерена. Колесико крутилось на молекулярной оси — такой же, что у молекулярных тачек. И карета двигалась! Можно было ее подтолкнуть иглой туннельного микроскопа, но, оказалось, что есть способ куда проще: профессор нагревал золотую поверхность, на которой стояла молекулярная карета: тепловой энергии вполне хватало для самопроизвольного перемещения кареты. Выглядело это так, что карета беспорядочно передвигается по поверхности — в общем, слоняется, как попало. Хорошо, конечно, что хоть как-то движется, но вот колеса-то у нее не крутятся! О вращении колес можно судить по силе тока, протекающего через иглу туннельного микроскопа: если внутренняя структура молекулы меняется, то будет меняться и ток, и по характеру этих изменений видно, крутятся колеса или же тепло просто тащит карету невесть куда, а колеса так и остаются неподвижными. Просто скользят по поверхности — наверное, для фуллереновых колес золотая гладь оказалась слишком скользкой.
Трудности трудностями, но, как известно, прогресс неудержим, и потому можно не сомневаться: рано или поздно, но наноколеса наноэкипажей завертятся. И наверняка сразу же на повестку дня встанут другие требования: большей автономности молекулярных повозок, например. В смысле: а давайте поставим на тележку двигатель. Джеймс Тур уже поставил на свою молекулу-карету маленькую защелку — посередине рамы. Если на эту защелку попадет луч света, она опустится на поверхность и станет опорой, отталкиваясь от которой карете будет легче начать движение. Пока что эта молекула не совсем готова — работы над ее синтезированием продолжаются. А в лаборатории в Тулузе Гвеналь Рапенн и Жан-Пьер Лоне придумали и синтезировали молекулу-моторчик — диаметр ротора этого двигателя меньше 2 нм. Теперь они рассчитывают мощность своего движка и придумывают для него коробку передач — чтобы можно было встроить его в молекулу-карету.
Тем временем, точнее, в 1997 году, Джим Гимзуски построил маленькие молекулярные счеты, собирая их из присоединяемых одна за одной молекул фуллерена. Джим располагал фуллереновый ряд вдоль ступеньки высотой в один атом — этот слой естественным образом возник на поверхности золотого кристалла. В 2002 году Дон Эйглер построил из сотни молекул моноксида углерода, которые он перемещал иглой туннельного микроскопа, логические вентили, выполнявшие функции «ИЛИ» и «И». У каждого вентиля было два входа, на которые поступали сигналы со значениями 0 или 1, и один выход. Если на одном из входов появится единица (1), то и на выходе схемы «ИЛИ» будет единица, а вот на выходе схемы «И» единица появится только тогда, когда на оба ее входа поступят единичные сигналы. Дон Эйглер построил из своих молекул два ряда, соприкасающиеся в одной точке поверхности. Эти два ряда служат двумя входами молекулярного логического вентиля, а каждая молекула похожа на косточку домино, которая или стоит, или упала (1 или 0). Если опрокинуть первую с краю молекулу, то возникает хорошо известный «эффект домино»: опрокидывание распространяется вдоль линейки (опрокинутая косточка обрушивает свою соседку). Так что состояние всего ряда может быть только одинаковым: или нулевым, или единичным, и соответственно и последняя косточка ряда — это выход вентиля — тоже опрокидывается или остается в исходном положении, чем и моделируется двоичность состояний (0 или 1). Вот как работает логическая схема, собранная из молекул. Однако схема может выполнить логическое сложение (ИЛИ) или логическое умножение (И) только один раз. Чтобы повторить логическую операцию, необходимо вернуть вентиль в исходное состояние, а это означает, что снова приходится выстраивать ряд из молекул «вручную» (пусть и с помощью иглы микроскопа): все косточки домино упали, и теперь надо их поднять. Поэтому Дон Эйглер и называет свое устройство не процессором, а счетами — операция выполняется механически.
Выходит, что молекулы можно собирать в группы, выполняющие вычисления, или механическим образом, или пользуясь электронами. Возможность синтеза молекулы-вентиля уже показана, но пока что невозможно гарантировать надежное функционирование такого логического вентиля — потому что нет технологии подключения вентилей к контактным площадкам.
В 1990-е годы верили в электронную литографию: мол, ее методами удастся сформировать нужные металлические электроды, которые будут настолько малы, что к ним без особых хлопот подключится одиночная молекула. Но ничего подобного не получилось. С одной стороны, электронная литография, опробованная в мезоскопической физике, недостаточно точна, чтобы формировать крайне миниатюрные электроды, размеры которых сопоставимы с размерами атомов. Кроме того, эта методика строится на использовании смолы (она служит для нанесения рисунка — например, металлических контактов, вживляемых в поверхность), и смолу после формирования схемы удаляют до последней молекулы. А соскребая смолу, очень даже можно удалить и нужные молекулы-приборы. Так что вся надежда на туннельный микроскоп: орудуя его иголкой, быть может, удастся так обработать маленькие, в несколько десятков нанометров, металлические площадки, сформированные методом осаждения, что из них получатся нужные наноконтакты.
Так как эта новая технология пока что только на подходе, исследователи тем временем придумывают новые молекулы, умеющие вычислять. В сущности, такие молекулы, судя хотя бы по тому, что предлагал Форрест Картер, должны быть огромными, чтобы вместить в свой объем всю ту сложность, без которой ни о каких вычислениях не может быть и речи.
Но это порождает множество проблем. Во-первых, синтез таких молекул — дело нелегкое. Да и манипулировать исполинскими молекулами, передвигая их поштучно, одну за одной, очень непросто: надо же так подвинуть громадную молекулу, чтобы ее отросток — и именно тот, что нужно — точно лег на малюсенькую площадку металлического контакта. И еще, сила тока, протекающего через очень уж длинную молекулу, не может быть слишком большой — не то молекуле несдобровать. Речь, видимо, идет о величинах менее аттоампера, a 1 аА = 10 – 18А, то есть аттоампер в миллиард миллиардов раз меньше ампера. Электроника, особенно быстродействующая, такой слаботочной быть не может. Значит, нужны новые вычислительные молекулы с новыми структурами, и родиться они должны как плод союза молекулярной электроники с квантовыми калькуляторами.