Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности
Меня много раз просили еще раз поговорить обо всем этом и высказать свое мнение о происшедших переменах, поэтому тему беседы можно обозначить очень просто – возвращение к лекции «Внизу полным-полно места».
Как я и говорил в 1960 году, мы вполне можем обозначить цифру или любой знак комбинацией всего из нескольких атомов. В принципе, нам хватило бы для записи даже одного атома, однако давайте представим себе, что мы имеем две пригоршни разных типов атомов, например, золота и серебра. Сейчас каждый школьник знает, что этого достаточно для записи, поскольку мы можем просто обозначать цифру 1 отдельным сгустком атомов золота, а цифру 0 – сгустком атомов серебра. Для наглядности представьте себе, что эти атомы имеют форму маленьких красивых кубиков, вдоль ребра которых можно уложить всего около сотни атомов. Располагая последовательно такие крошечные кубики, мы можем записать любое число или любую информацию в очень малом объеме пространства. Например, можно легко подсчитать, что содержание всех книг во всех библиотеках мира (включая картинки, графики и т. п.), записанное такими кубиками, не будет превышать по объему куб с ребром 1/20 дюйма, то есть пылинку, едва различимую невооруженным глазом.
Если вы предпочтете не объемную, а простую запись на поверхности, то эффект оказывается столь же впечатляющим. При уменьшении размеров в 25 тысяч раз все содержание знаменитой «Британской энциклопедии» может быть изложено на кончике иголки, огромная библиотека Калифорнийского технологического института вполне разместится на библиотечной карточке, а вся мировая литература вообще может быть записана на площади страниц газеты Saturday Evening Post. Я выбрал уменьшение размеров в 25 тысяч раз по той простой причине, что дальнейшая миниатюризация осложняется проблемами с длиной волны света, которую придется использовать при считывании текста. В сущности, это не является принципиальным ограничением, поскольку, в конце концов, вы можете воспользоваться для считывания электронным микроскопом, пучком электронов и т. п.
Поскольку я сказал о возможность записи и считывания с использованием пучка электронов, необходимо подчеркнуть – это является вполне осуществимым практически, и несколько лет мне назад прислали изображение текста, уменьшенное примерно в 30 тысяч раз. Размеры букв на картинке составляют около одной десятой микрона! ( Показывает аудитории изображение)
Кроме того, в речи 1960 года я много говорил относительно создания крошечных механических устройств типа двигателя или автомобиля, хотя и не мог предложить для них разумного практического применения. Достигнутый в этой области прогресс пока незначителен. Одна из моих идей заключалась в том, чтобы создать микроскопический двигатель, последовательно применяя пантографы (уменьшенные «руки», манипуляторы) или другие механические устройства типа тех, которые используются в дистанционных действиях с радиоактивными препаратами. На каждом этапе механической обработки мы будем пользоваться уменьшающимися в несколько раз (например, в четыре раза) манипуляторами, причем каждый из них начинает свою работу с создания следующего, уменьшенного манипулятора и т. д.
Я тут же предложил приз в 1000 долларов за мотор размером в 1/64 дюйма исходя из того, что такой двигатель невозможно изготовить в обычных условиях простой механической или ручной обработкой металла. Впрочем, это утверждение тоже сложно доказать. Я помню, что после окончания речи Дон Глезер (он потом получил Нобелевскую премию, это что-то да значит!) вдруг сказал мне, что такой мотор искусный мастер сможет изготовить вручную, так что следовало бы сразу указать точность 1/200 дюйма. Помню, как я ответил ему, что такое задание показалось бы невозможным и просто убило бы желание соревноваться у потенциальных мастеров. Поразительно, но Глезер оказался прав, и позднее такой мотор был собран вручную!
Конечно, создание таких микроскопических объектов, хотя бы ради забавы, является очень интересной технической задачей. Взгляните на этот крошечный двигатель, размеры которого примерно соответствуют точке обычного типографского шрифта. Понятно, что невооруженным глазом, собственно говоря, разглядывать нечего. К счастью, изготовивший это устройство и подаривший его мне мистер Мак-Леллан, снабдил игрушку очень красивым и удобным крошечным механизмом с увеличительным стеклом, позволяющим рассматривать двигатель с разных сторон (Фейнман передает аудитории мотор Мак-Леллана для рассмотрения).
20.2. Какими возможностями мы обладаем сегодня?
Конечно, мне хочется заглянуть в будущее и оценить прогресс наших возможностей создавать миниатюрные объекты. В той лекции я говорил об очень многом, от крошечных автомобилей до средств записи, компьютеров и информации. Хотя название сегодняшней лекции связано с бесконечно малыми машинами (мне хочется употребить даже старый термин машинерия), но в действительности, говоря об очень малых объектах, мы не можем уходить от проблем вычислительной техники и информации.
На первом слайде я просто демонстрирую некоторые микроскопические объекты, уже запущенные в коммерческое производство. Речь идет о вычислительных чипах размерами около 3 х 4 мм, в которых толщина соединительных проводов составляет несколько микрон (напомню, что микрон составляет одну миллионную часть метра или тысячную часть миллиметра), причем поперечные размеры при их изготовлении регулируются с точностью около трех мирон. Компьютерные чипы начали производить пять лет назад, поэтому сейчас уже существуют коммерческие образцы с точностью изготовления проводов до 0,5 микрона.
Такие чипы изготавливаются, как известно, напылением последовательных слоев через так называемые маски. ( Фейнман объединяет термином «напыление» все процессы изготовления схем в полупроводниковой технике) Затем можно, например, обработать маской (шаблоном) пластину точно направленными световыми лучами, в результате чего материал несколько изменяется и его можно будет дальше обрабатывать различными химическими методами (например, травлением), получая на нем требуемые паттерны, электрические схемы и т. д. Вытравливая и осаждая различные материалы (оксиды, кремний, кремний с диффузными добавками и т. п.) на последовательных этапах обработки, можно получать очень сложные и интересные паттерны или схемы, позволяющие осуществлять сложные операции. Эта техника четверть века назад казалась немыслимо сложной, но сейчас она стала основой крупномасштабных технологических процессов.
Настоящая и серьезная проблема заключается в том, сколь долго мы можем развивать и углублять эти технологии? Чуть позднее я буду говорить о том, насколько миниатюризация необходима и ценна для вычислительной техники, однако стоит вспомнить, что длина световых волн конечна, то есть вся технология литографического изготовления паттернов и масок принципиально не может обеспечивать точность выше длины полуволны используемого источника света. В настоящий момент в лабораторных условиях удается добиться точности около половины микрона, а в коммерческих технологических процессах она составляет примерно один микрон.
Итак, вы представляете себе наши возможности в лабораториях и на производстве, но я хочу предложить еще одну тему для размышлений. Майкл Исааксон из Лаборатории субмикронных исследований связался с одним моих друзей, художником-модернистом по имени Том Ван-Сант (Tom Van Sant). Я лично восхищаюсь его творчеством и считаю его истинным модернистом, то есть человеком, способным не только понимать современную культуру, технологию, науку и даже сущность природы, но и находить новые возможности их отображения и восприятия.
Позвольте показать вам на следующем слайде одну картин Ван-Санта. На первый взгляд, это просто произведение искусства, не правда ли? Зритель видит изображение человеческого глаза, отчетливо различая ресницы, брови и даже зрачок. Таких изображений в истории искусства было создано множество, но фокус состоит в том, что в данном случае вы видите лишь увеличенную копию самого маленького изображения глаза, созданного человечеством вообще! В действительности размеры картины составляют лишь около четверти микрона, то есть 250 миллимикронов, так что размеры зрачка равны 15–20 миллимикрон, а по диаметру центральной точки в зрачке можно уложить лишь около ста атомов! Легко понять, что художник вышел практически к мыслимым границам миниатюризации, так дальнейшее уменьшение деталей изображения потребует от него использования отдельных атомов. Нельзя представить себе никакого дальнейшего развития этой техники.
Я надеюсь, что картина понравилась и хочу поразить вас еще одним его необычным произведением. Поскольку ему нравится экспериментировать с изображением человеческого глаза, на следующем слайде вы вновь видите глаз. Картина очень хороша по колориту и форме, ее можно отнести к настоящим произведениям искусства, но что-то в ней настораживает, не правда ли? Я прошу зрителей, понявших смысл изображения, не выдавать секрета, поскольку я хочу пояснить секрет картины следующими слайдами, на которых детали даны в ином масштабе. Увеличив изображение, мы вдруг начинаем различать детали и штрихи, которые художник использовал для нанесения «морщинок» и особенностей глазницы, а при дальнейшем увеличении (следующий слайд) мы вдруг понимаем, что изображение глаза особым образом «вмонтировано» в общий вид города Лос-Анжелес на снимке, полученном из космоса! Человеческий глаз на картине представляет собой лишь элемент картины, и сейчас я поясню, как художнику удалось получить столь необычное изображение.
