Нанотехнологія. 
Перспективи розвитку

Министерство спільного освітнього і професійної освіти РФ.

Уральський державний технічний университет.

Кафедра Фізичною і Колоїдної Химии.

Реферат.

Нанотехнологія. Перспективи развития.

Студент: Ягодин З. И.

Група: Х-277.

Єкатеринбург 2003.

1 Запровадження 3.

2 Тунельний Мікроскоп 7.

3 Електронні елементи з урахуванням нанотехнологій 9.

4 Наноботы 11.

5 Філософія 19.

6 Укладання 23.

1 Введение.

Для поняття нанотехнологія, мабуть, немає вичерпного визначення, але з аналогії з нині микротехнологиями слід, що нанотехнології - це технології, які оперують величинами порядку нанометра. Тому перехід від «мікро «до «нано «- це якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами.

Коли йдеться про розвиток нанотехнологій, маю на увазі три направления:

. виготовлення електронних схем (зокрема і об'ємних) з активними елементами, розмірами порівнянними з розмірами молекул і атомов;

. виготовлення наномашин;

. маніпуляція окремими атомами і молекулами і складання їх макрообъектов.

Розробки у цих напрямах ведуться віддавна. 1981;го року був створено тунельний мікроскоп, дозволяє переносити окремі атоми. З тих пір технологія було значно вдосконалена. Сьогодні досягнення ми використовуємо у повсякденному житті: виробництво будь-яких лазерних дисків, а тим паче DVD вимагає використання нанотехнических методів контроля.

На цей час можливо окреслити такі перспективи нанотехнологий:

1. Медицина. Створення молекулярних роботов-врачей, які «жили «б всередині організму людини, усуваючи чи запобігаючи все виникаючі ушкодження, включаючи генетичні. Термін реалізації - перша половина XXI века.

2. Геронтологія. Досягнення особистого безсмертя людей з допомогою запровадження у організм молекулярних роботів, предотвращающих старіння клітин, і навіть перебудови і поліпшення тканин організму людини. Пожвавлення і зцілення тих безнадійно хворих людей, хто був заморожені на цей час методами кріоніки у. Термін реалізації: третя — четверта чверті ХХІ сторіччя. 3. Промисловість. Заміна традиційних методів виробництва складанням молекулярними роботами предметів споживання безпосередньо з атомів і молекул. Термін реалізації - початок XXI века.

4. Сільське господарство. Заміна природних виробників їжі (рослин i тварин) аналогічними функціонально комплексами з молекулярних роботів. Вони нібито будуть відтворювати самі хімічні процеси, що відбуваються у живому організмі, проте він більше коротким і ефективнішим шляхом. Наприклад, з ланцюжка «грунт — вуглекислий газ — фотосинтез — трава — корова — молоко «будуть віддалені все зайві ланки. Залишиться «грунт — вуглекислий газ — молоко (сир, олію, м’ясо) ». Таке «сільському господарстві «нічого очікувати залежати від погодних умов не залишиться потребуватимуть важкому фізичному праці. А продуктивності спроможеться, щоб вирішити продовольчу проблему раз і навсегда.

Срок реалізації - друга — четверта чверть ХХІ сторіччя. 5. Біологія. Стане можливим впровадження наноелементів на живу організм на рівні атомів. Наслідки можуть бути дуже різними — від «відновлення «вимерлих видів аж до створення нових типів живих істот, біороботів. Термін реалізації: середина XXI века.

6. Екологія. Повне усунення шкідливого впливу діяльності на довкілля. По-перше, з допомогою насичення экосферы молекулярними роботами-санитарами, що перетворює відходи діяльності у початковий сировину, а по-друге, з допомогою перекладу в промисловості й сільського господарства на безвідходні нанотехнологические методи. Термін реалізації: середина XXI века.

7. Освоєння космосу. Очевидно, освоєння космосу «звичайним «порядком буде передувати освоєння його нанороботами. Величезна армія роботов-молекул буде випущена в навколоземне космічний простір і підготує її заселення людиною — зробить придатними для проживання Місяць, астероїди, найближчі планети, спорудить з «підручних матеріалів «(метеоритів, комет) космічні станції. Це буде набагато дешевше і безпечніше існуючих нині методов.

8. Кібернетика. Відбудеться перехід віднині існуючих планарных структур до об'ємним мікросхемах, розміри активних елементів зменшуватися до розмірів молекул. Робітники частоти комп’ютерів досягнуть терагерцовых величин. Отримають поширення схемні рішення на нейроноподобных елементах. З’явиться швидкодіюча довгострокова пам’ять на білкових молекулах, ємність якої вимірюватися терабайтами. Стане можливим «переселення «людського інтелекту в комп’ютер. Термін реалізації: перша — друга чверть XXI века.

9. Розумна середовище проживання. за рахунок впровадження логічних наноелементів у все атрибути довкілля він стане «розумної «і лише комфортною в людини. Термін реалізації: після XXI века.

Основные етапи у розвитку нанотехнологии:

1959 р. Лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман заявляє, у майбутньому, навчившись маніпулювати окремими атомами, людство зможе синтезувати що завгодно. 1981 р. Створення Бинигом і Рорером сканирующего тунельного мікроскопа — приладу, що дозволяє впливати на речовина на атомарному рівні. 1982;85 рр. Досягнення атомарної дозволу. 1986 р. Створення атомно-силового мікроскопа, що дозволяє, на відміну тунельного мікроскопа, здійснювати взаємодію Космосу з будь-якими матеріалами, а лише з які проводять. 1990 р. Маніпуляції поодинокими атомами. 1994 р. Початок застосування нанотехнологических методів у промышленности.

Проте прийнято вважати, що нанотехнологія «почалася «коли 70 років тому Р. А. Гамов уперше отримав рішення рівняння Шредінгера, описують можливість подолання часткою енергетичного бар'єра навіть тоді, коли енергія частки менше висоти бар'єра. Нове явище, зване туннелированием, дозволило пояснити багато експериментально які спостерігалися процеси. Знайдене рішення дозволило зрозуміти велике коло явищ і це застосована для описи процесів, що відбуваються при вильоті частки з ядра — основи атомної науку й техніки. Багато хто вважає, що з грандіозність результатів його найкращих робіт, стали основними багатьом наук, Р. А. Гамов мав бути визнаний гідним кількох Нобелівських премий.

Розвиток електроніки наблизилося до використанню процесів тунелювання лише майже 30 років: з’явилися тунельні діоди, відкриті японським ученим Л. Есаки, удостоєним при цьому відкриття Нобелівської премії. Ще за 5 років Ю. З. Тиходеев, керував сектором физико-теоретических досліджень, у московському НДІ «Пульсар », запропонував перші розрахунки параметрів і варіанти використання приладів з урахуванням багатошарових тунельних структур, дозволяють досягти рекордних по швидкодії результатів. Через 20 років вони були успішно реалізовані. Нині процеси тунелювання стали основою технологій, дозволяють оперувати зі сверхмалыми величинами порядку нанометрів (1нанометр=10−9 м).

До цього часу створення мініатюрних напівпровідникових приладів грунтувалося, переважно, на техніці молекулярно-лучевой эпитаксии (вирощування верств, паралельних площині підкладки), що дозволяє створювати планарные верстви з матеріалів з товщиною до моноатомной. Але ці відбуваються значні обмеження, які дозволяють створювати наноскопические структури. До цих обмеженням належить висока температура процесів эпитаксии — за кілька сотень градусів, коли він хоч і забезпечується зростання високоякісних плівок, проте забезпечується локальність формованих областей. З іншого боку, високі температури поверхні підкладки стимулюють диффузионные процеси, «размывающие «планарные структури. Більше «холодні «технології осадження, типу напилювання, через одночасності осадження матеріалу протягом усього підкладку, одночасного зростання різних місцях зерен осаждаемого матеріалу і наступного освіти дефектів з їхньої межах розділу теж дозволяли створювати бездефектные наноструктуры.

Формування елементів нанометрового розміру спочатку планувалося здійснювати методами електронно-променевої літографії, дополняемой методами іонного травлення. Проте высокоэнергетичный електронний промінь, розсіюючись в підкладці, викликає значні руйнації в матеріалі, розташованому як під, і у районі області фокусування, практично перекреслюючи можливість створення багатошарових схем з нанометровыми розмірами елементів. Виникла тупикова ситуація, рішення якого було знайдено в 1981 году.

2 Тунельний микроскоп.

1981;го року кардинально новим кроком, який відкриває можливість створення высоколокальных — з точністю до окремих атомів — низкоэнергетичных технологічних процесів, стало створення Р. Бинингом і Р. Рорером, співробітниками швейцарського відділення компанії IBM, сканирующего тунельного мікроскопа, протягом якого вони у 1985 року було визнані гідними Нобелівської премии.

Основою винайденого мікроскопа є дуже гостра голка, ковзна над досліджуваної поверхнею з зазором менше нанометра. У цьому електрони з шпичаки голки туннелируют через цей зазор в підкладку. Винятково різка залежність струму туннелирующих електронів від відстані (за зміни зазору однією десяту нанометра струм змінюється в 10 раз) забезпечила високу чутливість і високі розрізнювальну здатність мікроскопа. Стабільне утримання голки настільки малому відстані від підкладки забезпечується застосуванням електронної яка стежить системи, під впливом результатів виміру тунельного струму керуючої пьезоманипулятором, перемещающим голку, що дозволяє утримувати зазор з точністю вище сотої частки нанометра. Вимірюючи величини управляючих сигналів, за відомого чутливості пьезоманипулятора до переміщенню під впливом напруги, визначають висоту досліджуваній галузі поверхні. Скануючи над досліджуваної поверхнею, за результатами вимірів висот різноманітних галузей визначають профіль поверхні з точністю до окремих атомов.

Проте, крім дослідження поверхні, створення нової типу мікроскопів відкрило принципово новий шлях формування елементів нанометрових розмірів. Були отримані унікальні результати по переміщенню атомів, їх видалення і осадженню в задану точку, і навіть локальної стимуляції хімічних процессов.

Зазвичай, щоб провести виміру з допомогою тунельних мікроскопів між зондом і проводить підкладкою, докладають низькі напруги на кілька мілівольт, що обмежує максимальну енергію туннелирующих електронів величиною, меншою енергії теплових коливань атомів. Під час проведення нанотехнологических процесів між зондом і підкладкою прикладаються напруги на кілька вольт і навіть десятків вольт, що дозволяє активізувати проведення атомно-молекулярных процесів, що характеризуються перенесенням атомів, до локального випаровування, і навіть стимулювати локальні хімічні реакции.

Нанотехнологические процеси можуть відбуватися у різних середовищах: вакуумі, гази та рідинах. У вакуумі, переважно, проводяться процеси польового випаровування матеріалу з голки на підкладку і навпаки. Значно великі технологічні можливості відчиняються о установках з напуском технологічних газів. У газових середовищах проводять локальні хімічні реакції, дозволяють, проти вакуумними установками, розширити діапазон використовуваних матеріалів, підвищити продуктивність технологічних установок.

Напуск технологічного газу чи парів речовини, які у технологічної реакції, призводить до утворення лежить на поверхні підкладки адсорбованого шару. Зонд сканирующего тунельного мікроскопа наближається до підкладки та практично поринає у адсорбированный шар. Додаток напруги між зондом і підкладкою стимулює проходження кількох процессов:

. поверхневою міграції полярних молекул адсорбованого речовини до зонду;

. поляризації речовини під зондом;

. видалення речовини з-під зонда з допомогою нагрева;

. виникнення і поглинання плазмонных колебаний;

. межатомного взаємодії зонда, підкладки і вещества;

. локальних хімічних реакций.

Дані процеси часом є конкуруючими, й остаточні результат залежить від типу застосовуваного вещества.

У рідких середовищах також здійснюють локальні хімічні реакції, хоча відвід продуктів реакції складніше, аніж у попередньому случае.

Синтезуючи підкладку з деякими властивостями в газових середовищах спеціального складу, можна наноструктури різних типів, приклад показаний на рис.

[pic].

Ширина лінії літер — десятки атомов.

Останніми роками до роботи з діелектричними подложками застосовуються атомно-силовые мікроскопи, але вони неможливо виробляти локальну активацію атомів і молекул під зондом, тобто за їх із допомогою неможливо осадити проводить матеріал на диэлектрическую підкладку. Що ж до сучасної техніки з урахуванням тунельних мікроскопів, те з їх допомогою можна активувати лише матеріал, розташований між вершиною зонда і проводить підкладкою, а чи не діелектричним, як і потрібно практичних целей.

Тому головний напрямок розвитку технології створення які проводять елементів на ізолюючих матеріалах, це створення принципово нових типів активаторів нанотехнологических процессов.

3 Електронні елементи з урахуванням нанотехнологий.

Нові потенційні технологічні можливості нанотехнології відкрили шляху до реалізації нових типів транзисторів і електронних функціональних пристроїв, виконують відповідні радіотехнічні функції з допомогою особливості взаємодії електронів з наноструктурами. До транзисторам нових типів ставляться одноэлектронные транзистори, запропоновані До. Лихаревым, у яких домінують ефекти поодиночного проходження електронів через транзистор та управління параметрами цього процесу під впливом потенціалу управляючого електрода. Перевагою транзистора такого типу і функціональних приладів його основі є лише низька енергоспоживання. До порівняльним недоліків — найвищі по труднощі реалізації вимоги створення нанометрових областей найменших розмірів, дозволяють здійснити роботу даних пристроїв при кімнатної температурі. До принципово іншому типу транзисторів слід віднести транзистори Ааронова-Бома, у яких використовуються хвильові властивості електронів. Під впливом управляючого напруги, що створює несиметричність параметрів хвильового поширення електрона з двох розбіжним, а потім сходящимся лідерів, відбувається інтерференція хвильових функцій електрона, яка веде до модуляції вихідного електронного потоку. До гідностям транзисторів такого типу слід віднести сверхвысокое швидкодія, що досягає терагерцового діапазону, а до недоліків — найвищі вимоги до однорідності матеріалів, виконання яких необхідне мінімізації розсіювання електронів для розповсюдження їх за даним двом лідерів. До третьому типу нанотранзисторов належить польовий транзистор, сформований з урахуванням нанопроводников, у якому під впливом управляючого напруги відбувається польова модуляція провідності провідника, яким тече струм. Цей транзистор, хоч і перестав бути рекордсменом проти першими двома по енергоспоживанню і швидкодії, пред’являє найпростіші технологічні вимоги до технології створення і дозволяє досягти частотного діапазону на сотні гигагерц.

У 1993 р. було розроблено нове сімейство цифрових переключающих приладів на атомних і молекулярних шнурах. І на цій основі розроблено логічні елементи НЕ-И і НЕ-ИЛИ. Розмір такий структури ~ 10 нм, а робоча частота ~ 1012 Гц.

Одне з найважливіших достоїнств нанотехнології, реалізує процес послойной складання, є можливість тривимірного виготовлення наноэлектронных схем. Наявність такої властивості у розроблюваної технології дуже важливо, оскільки напівпровідникова мікроелектроніка, фактично, і залишилася планарной, дозволивши реалізувати дуже обмежену кількість рівнів металізації на формування межсоединений. Цей недолік технології породжував проблему, названу Я. А. Федотовым «тиранією межсоединений ». Вона як стримує розвиток прогресивних інтегральних схем з великою кількістю елементів, але й дозволяє апаратно реалізувати виключно важливі типи нейронних схем, у яких домінує велика кількість перетинів поміж элементами.

4 Наноботы.

MEMS-технологии і мини-роботы Сандиа.

Чимало експертів схильні відраховувати історію мікротехнологій від знаменитої лекції нобелівської лауреатки Річарда Фейнмана, прочитаної їм у 1959 року перед Американським фізичним суспільством. Багатюща фантазія Фейнмана і талантпопуляризатора дозволили йому окреслити потенціал мікротехнологій в у яскравих фарбах: у його лекції були й малесенькі комп’ютери, і системи зберігання даних, електронні компоненти і навіть мікроскопічний інструментарій мініатюрних роботів. Але якщо пророцтва Фейнмана у сфері мікроелектроніки почали обростати плоттю нас дуже швидко — вже у 1960;70-е роки, — то прогрес в електромеханічних микросистемах йшов значно повільніше. Лише 80-ті роки провідні університети і урядові лабораторії почали освоювати порівняно недорогі способи виготовлення й складання крихітних механічних деталей, навіщо була розроблено технології мікроелектромеханічних систем, чи MEMS, яка використовує методи літографії й інструментарії напівпровідникової промышленности.

Фактично, знадобилося тридцять років те що, щоб з’явилося перше комерційне додаток MEMS. Однією із перших MEMS-технологий, отримали повсюдне поширення, стали сенсори прискорення, встановлювані нині практично в усі сучасні автомобілі для детектування зіткнення і випуску захисних повітряних подушок. Массачусетская компанія Analog Devices, що виготовила перші такі сенсори в 1993 року, зараз продає автомобілебудівникам близько 50 мільйонів MEMSчіпів. Є ще низку успішних MEMS-изделий, як-от голівки микроструйных принтерів чи сенсори тиску, які Motorola сотнями мільйонів поставляє медичної і автомобільну промисловість. Або, скажімо, цифрові проектори високого дозволу Texas Instruments, побудовані з урахуванням MEMS-массивов микрозеркал. Останніми роками вдалося досягти помітних б у виготовленні моторів, насосів і затискачів, сенсорів тиску і усунення — коротше, безлічі найрізноманітніших за призначенням механічних агрегатів, настільки малих, що й немає неозброєним оком. Проте запустити продукти в масове виробництво виявилася набагато важче, ніж вважали оптимисты.

Зараз найперспективнішої областю впровадження MEMS прийнято вважати телекомунікації. Так було в кінці 2000 року від Національній Лабораторії Сандиа, що належить міністерству енергетики США, відбрунькувалася приватна компанія MEMX, що займається питаннями комерційного застосування створюваних до лабораторій MEMS-технологий. Компанія сфокусувалася у своїй діяльності на оптичних комутаторах для оптоволоконних телекомунікаційних систем. У тому основу покладено фірмова технологія Сандиа під назвою SUMMiT V (від Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Це микромашинный процес обробки поверхні чіпа напилюванням і травлением, охоплюючий п’ять незалежних верств поликристаллического кремнію — чотири «механічних» шару для побудови механізмів і тільки електричний задля забезпечення межсоединений электросхемы. Технологія дозволяє доводити розміри механічних елементів до 1 мкм.

Досвід, накопичений розробниками Сандиа в мініатюризації електромеханічних систем, допоміг створити, й дуже ефектних мікроскопічних роботів. Побудована у середині 90-х років модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) мала обсяг близько 1 кубічного дюйма, хоча робот майже повністю було виготовлено з комерційно доступних компонентів. До 2000 року і його розміри вдалося зменшити у чотири з лишком рази. Ця крихітна машина на гусеничному ходу має полімерний каркас, шість коліс, два електромотора, процесор з 8 Кбайт пам’яті, датчик температури, мікрофон, відеокамеру, хімічний сенсор і трьох батарейки від годин. Треба сказати, саме побутові елементи харчування перешкоджали зробити пристрій ще мініатюрніші. Машини планується обладнати системою бездротового зв’язку, після чого група микророботов зможе об'єднуватися задля об'єднаного вирішення завдань під керівництвом центрального комп’ютера. За задумом творців, основний областю застосування роботів може бути пошук і освоєння знешкодження бомб і мін, небезпечних біологічних і хімічних матеріалів. Завдяки малим розмірам і високої прохідності микророботы дуже перспективні на вирішення розвідувальних завдань. Проте ємність сучасних батарей катастрофічно мала, її вистачає тільки подолання десятка метров.

Роботи «сухі» і «мокрые».

Нанотехнології, особливо наномедицина, розвиваються у двох принципово різних напрямках, умовно іменованих «сухий нанотехнологией» в механічної традиції, і «мокрою нанотехнологией» в біологічної традиции.

«Сухі нанотехнології» найчастіше відштовхуються від опозиції вже наявних технологій — на кшталт скануючих мікроскопів, які можуть переміщати окремі атоми і молекули. Поки що, зазвичай, висловлюється у вигляді своєрідних «нанограффити», тобто складання з атомів власних імен дослідників, назв їхніх інституцій чи щедрих спонсорів. Але такі експерименти зазвичай обмежені площиною. Вкладання молекул друг на друга — наступна завдання, яка розв’язано нелегку для найближчі годы.

Наприклад, дослідниками Гарвардського університету сконструйовано перший «нанопинцет» загального призначення, використовує пару електрично керованих вуглецевих нанотрубок. З допомогою цього механізму вдається маніпулювати 300-нанометровыми кластерами полистироловых мікросфер чи видобувати єдиний 20-нанометровый напівпровідниковий провід з безлічі аналогічних переплутаних дротів. У майбутньому вчені сподіваються створити настільки малий нанопинцет, щоб захоплювати окремі великі молекулы.

Можливо, «мокрою нанотехнології» слід сконцентруватися на конструюванні і модифікації білкових молекул, знаменитих своїми видатними здібностями до самосбору. Багато вчених вважають, що ключі до прогресу лежить тут. Живі системи використовують безліч молекулярних машин, як-от молекулярні мотори. Тому цілком логічно спробувати пристосувати до наших потребам вже що у природі механізми, застосовуючи їх доведення в рух крихітних насосів, важелів і затискачів. Концепцію «мокрих наноботов» інколи іменують також микробиороботами.

Дослідникам з Нью-йоркського університету, що обрало «підхід самосбора», вдалося навчитися генерувати комплементарные нитки ДНК, які об'єднують себе у складні структури бажаної конфігурації. То існували споруджено куби, восьмигранники та інші правильні постаті, котрі перебувають всього з тисяч нуклеотидів. Обравши аналогічний підхід, вчені генетично модифікували природний биомотор, мови у природничих умовах зустрічається в фермент аденозинтрифосфатозе (ATPase). У результаті виготовлений перший гібридний наномотор з небиологическими елементами зі стананометрових смуг азотистого кремнію. Подібно мікроскопічному пропеллеру, він обертається зі швидкістю 200 обертів за минуту.

Як свідчать попередні оцінки, механічні системи у кінцевому рахунку зможуть забезпечити вищі швидкості праці та велику ефективність управління нанороботом, ніж системи біологічні. Проте важливим перевагою останніх і те, що їх функціональні компоненти можна частково чи повністю брати з вже наявних природних живих систем, цим істотно скорочуючи час разработки.

Саморепликация.

Виробництво нанороботов усе ще утруднено з двох причин: проблема «товстих пальців" — недостатня що дозволяє здатність сучасних приладів та складність проектування схемотехнических рішень. Ці дві проблеми, хоч як дивно, можливо розв’язати лише з допомогою самих нанотехнологій. Якщо проектування схеми потрібен потужний процесор, працюючий на високої частоті, то тут для масової складання нанороботов потрібні нанороботи, т.к. лише вони за свого призначення здатні надавати необхідний інструментарій для складання механізму. Людині несила будь-якими пристроями зробити кількість нанороботов, відповідне сучасної концепції їх застосування. Задля більшої найпростіших завдань, поставлених перед нанороботом, їх потрібні сотні, а то й тисячі. Сьогодні розробка у цьому напрямі можлива лише теоретичному вигляді. Але вже існують макроскопічні роботи, спроможні скласти собі подібного, а потім запрограмувати його. Також це запитання досліджує філософія. Річ у тому, що з розмовах про реплікації, самовоспроизведении роботів неминуче виникають думку про виході їх з-під контролю. Аж по те, що нанотехнологія розглядається зараз деякими як крок людства по ковзкому краю апокаліптичної ями, заповненою «сірої слизом». Цей термін досить широке ходіння із подачі Білла Джоя, Головного вченого Sun Microsystems, опубликовавшего у журналі Wired гучну статтю «Потребує у нас майбутнє?» Джой та її ідейні соратники наполегливо попереджають, що мікроскопічні самовоспроизводящиеся роботи, невидимі людському оку, у разі виходу з-під контролю можуть призвести до нашестю безликої, липкою і пожираючої всі навколо маси — «сірої слизу». Причому ідею зовсім не можна назвати висотаних з пальця, оскільки завзяті поборники новітніх технологій вже висували пропозиції щодо розробці армії «синьої слизу» — руйнівних микромашин — як потужного оружия.

У у відповідь подібні побоювання все й тривогу авторитетні прибічники нанопрогресса (Ральф Меркль, зокрема) висувають свої аргументи. Хоча нанотехнологія справді пропонує використовувати репликацию для відомості до мінімуму вартості виробництва, вона пропонує копіювати живі системи. Живі системи адаптуються до середовища самим дивним чином і здатні виживати у непростих природні умови. Нанотехнологія, навпаки, пропонує будувати молекулярні машинні системи, схожі на мікроскопічні версії устаткування сьогоднішніх фабрик і заводів. Рукаманіпулятор микроробота, зменшена до субмикронного розміру, повинна вміти брати і починати збирати молекулярні деталі, аналогічно, як маніпулятори заводських роботів орудують гайками і болтами. На жаль, каже Меркль, дуже просто піти удаваної стежині через факту: єдина репликационная система, з якою знайоме більшість із нас біологічні самовоспроизводящиеся системи. Ми автоматично починаємо розуміти, що нанотехнологические репликационные системи будуть подібні біологічним. Але машини, які виготовляють людьми досить вже мало скидаються на живі системи, тому й молекулярні системи виробництва швидше за все стануть настільки ж непохожими.

Для ілюстрації до своїх доводам Меркль наводить експериментальну систему «експоненційною складання», створювану техаської корпорацією Zyvex. Тут розробляються механічні системи для складання пристроїв мікронного, субмикронного і молекулярного масштабу. На микронном рівні, використовуючи вже наявні MEMS-технологии, проектується проста роботизированная рука «взять-и-положить», здатна маніпулювати складними планарными деталями мікронного масштабу, виготовленими з допомогою літографії. З положень цих деталей збирається роботизированная рука, здатна маніпулювати спеціально розробленими MEMS-деталями. Процес отримав назва «экспоненциальная складання», оскільки це репликационная технологія, начинающаяся з однією роботизированной руки на кремнієвої пластині, які самі збирає інші роботизированные руки, беручи деталі, заздалегідь вкладені на пластині в відомих місцях. Хоча кількість зібраних в такий спосіб роботизированных рук може зростати експоненціально (до деяких меж, зрозуміло, накладених системою виробництва), цей процес потребує, у тому числі, литографически виготовлених деталей, і навіть подачі електроенергії та управляючих сигналів для координації складних рухів рук-манипуляторов. Досить відключити енергію, управляючі сигнали чи позбавити микроробота деталей — і він діяти як і, як та її заводський побратим, вилучений зі складальної лінії і закинутий у глухий лес.

На жаль, далеко ще не все вчені, працюють у галузі нанотехнологій, дотримуються як і логіки, у тому числі одну з провідних фахівців лабораторії Сандиа — Джеф Бринкер, отримавши міжнародної популярності завдяки роботам у сфері самосборных нанокомпозитных матеріалів. У його особистої участі досягнуто дуже примітні успіхи у створенні матеріалів, талановитими в спонтанної самоорганізації у скрутні тривимірні конструкції наномасштаба. А головне інтерес досліджень Бринкера, з його словами, це навчитися надавати матеріалам «жизнеподобные» властивості - тобто отримувати такі матеріали, котрі відчувають навколишню середовище, й відповідним чином реагують, можуть самоисцеляться і уникати загрозливих їх існуванню обставин. Двома словами, мета Бринкера — наноматеріали, що займають проміжне становище між жвавий і неживим. Зрозуміло, робот з цих матеріалів — то це вже далеко ще не незграбний заводський маніпулятор у лісовій чаще.

Тверезомислячі вчені чудово розуміють, що нанотехнологія здатна породити серйозні проблеми. Будь-яку технологію можна використовувати для заподіяння шкоди, Не тільки для спільне добро. За масштабами майбутнього на людство нанотехнології напевно поступляться індустріальної революции.

У каліфорнійському Пало-Альто 1989 року була створена спеціальна некомерційна організація «Завбачливий інститут» (Foresight Institute) й гаслом «Готуючись до нанотехнологіям» (фундатор і глава інституту — Ерік Дрекслер). Тут було підготовлений набір правил «техніки безпеки» для розроблювачів і виготовлювачів молекулярних систем. Серед керівних принципів, наприклад, такі: штучні системы-репликаторы нічого не винні мати спроможність до відтворення у природному, неконтрольованої навколишньому середовищі. Вони повинні бути абсолютно залежать від джерела штучного харчування або від штучних компонентів, не можна зустріти у природі. Вони мають використовувати коди виявлення помилок, і шифрування, предотвращающее ненавмисні зміни у їх конструкции.

Всі ці правила викристалізувалися з бурхливих дискусій про найрізноманітніших сценаріях можливого розвитку нанотехнологій. Вочевидь, що зараз розуміння що розвивається технології еволюціонує, отже, змінюються і рекомендації, відбиваючи ступінь осмислення вченими того, як забезпечувати безпечне розвиток нанотехнологій. Але в рахунку диктувати реальний спектр нанотехнологических додатків будуть зовсім не від вчені, а уряду та индустрия.

Сучасні разработки.

Існуючі рішення можна назвати нанороботами у сенсі цього слова, але микророботы є гідними макроскопическими моделями.

У Массачусетському технологічному інституті зараз розробляється серія микророботов під загальним назвою NanoWalkers («наноскороходы»). Деякі їх обладнані иглами-пробниками сканирующего тунельного мікроскопа для відображення і підштовхування атомів. Інші - щупами атомно-силового мікроскопа до роботи з непроводящими матеріалами. Треті - микроманипуляторами для переміщення та збору деталей мікронного розміру, а згодом і атомів. Попутно створюється набір інструментів для наномасштабного напилювання, травлення, обробітку грунту і формування зображення. Здібні стрімко переміщатися, роботы-сборщики черпають енергію з електрично зарядженої робочої поверхні, освіченою перемежованими смугами різною електричної полярності. Зв’язок із микророботами здійснюється через інфрачервону систему, монтируемую нагорі їх приосадкуватого корпусу. Цифрова ПЗС-камера стежить над переміщенням і місцезнаходженням роботів, спрямовуючи їх до потрібному місцеві, та був входить у дію система тонкого позиціонування, навідна пробники-манипуляторы на конкретні молекули чи атомы.

Перевага як і концепції наступного. Замість послідовно проводити об'єкт складання через техпроцессы, щоразу пересуваючи і знову позиціонуючи мікроскопічний вузол, система дозволяє тримати його за одному місці ми — а рухаються нехай недорогі мобільні микророботы, керовані комп’ютером. Треба сказати, що індустрія, що звикла до конвеєрному виробництву, нову концепцію сприймає з трудом.

Пьезокерамические ніжки, з допомогою яких роботи NanoWalker переміщаються, можуть гнутися всередину і назовні, подовжуватись і коротшати, в залежність від форми докладеної електричного сигналу. Роблячи близько 18 тисяч крочків в секунду, роботи здатні носитися значно швидше, скажімо, тарганів (роблять близько 14 крочків в секунду), причому різним «алюром» — або дріботати малюсінькими кроками по 2 нанометра, або відразу покривати по 50 мікрон за один раз. Поки що у МТІ зосередилися у тому, щоб навчити своїх роботів рухатися плавно і інтегрувати в роботу найтонші шпичаки скануючих і атомно-силовых микроскопов.

Деякі дослідницькі центри, не прагнули за будь-яку ціну зробити микророботов автономними, досягли успіху вирішити інші завдань. Так було в німецькому університеті Карлсруе керовані дротами роботи діють на предметних столиках оптичних мікроскопів й у вакуумних камерах скануючих електронних мікроскопів. Вони виходить із таким справою, як збір оптичних систем мікронного масштабу чи захоплення та перенесення окремих біологічних клітин. Безперечно менш моторні, ніж NanoWalker, і призначені для маніпулювання більшими об'єктами, німецькі роботи MINIMAN (від Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперують такими інструментами, як микрозажимы і микропипетки.

Коли управляючий роботом оператор клацає покажчиком мишки по зображенню конкретної клітини через монітор, робот, ведений комп’ютеризованої системою зору, знаходить саме цю клітину, акуратно засмоктує їх у микропипетку, переносить деінде і випускає. При іншому сценарії два робота, працюючі спільно, можуть утримувати клітку та упорскувати у ній розчин медикаменту чи барвника. Такі операції вже так відточено, що їх виконання потрібно буквально секунда. Кілька інший апарат MINIMAN III здатний збирати і налаштовувати систему з 1- і 2- міліметрових, причому оператор втручається у процес складання лише раз. Поки що з освоюваних роботами операцій автоматизовані лише частково, однак з часом всі роботи здійснюватимуться й без участі людини. Розробка микророботов MINIMAN ведеться спільно інститутами Німеччини, Швеції, Іспанії, Великій Британії та Італії. Сприяння їм надають голландська фірма Philips Bedrijven і німецька Kammrath & Weiss.

Серед великомасштабних розробників MEMS — фірма Intel, відома своїми процессорными і мережними рішеннями. Свій інтерес до технології вони пояснюють прагненням розробити інтегровані всё-в-одном мікросхеми. Вже сьогодні інтегральні схеми, містять у собі все основні системи комп’ютера. Застосування нанотехнологій з багаторівневої структурою чіпа і механічними микропереключателями MEMS дозволило на порядок зменшити геометричну величину, вартість, енергоспоживання, тепловиділення, внутрішні флуктуационные ефекти тощо. Представники Intel наводять приклад із радіо, все аналогові і цифрові компоненти якого буде виконані однією кристалі. Причому вона має бути універсальним, тобто працювати з усіма стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b й дуже далі. Завдяки інтегрованості, радіо буде так простим, що його вдасться використовувати як для зов-нішню комунікацію, але й внутрішньої - наприклад, між окремими чипами в комп’ютері. Якщо такі універсальні радиоэлементы буде зроблено, їм знадобляться механічні рухомі частини для перемикання ланцюгів. З тих ж кристалі мають бути і аналогові компоненти передавача і приймача. 5 Философия.

Розвиток нанотехнологій ставить ряд дуже важливих питань. У перший чергу філософського характера.

Едуард Теллер, одне із творців термоядерної бомби зауважив: «Той, хто раніше опанує нанотехнологией, займе чільне місце в техносфере наступного століття». Потрібно побоюватися такого мислення. Висловлення, безумовно, правильне, але нанотехнологія має ставати предметом суперництва. Вона має настільки потужний потенціал, що потрібно вести розробки у цій галузі повністю відкрито, з ретельним контролем, яка виключає створення оружия.

Ерік Дрекслер пише: «Але міць нових технологій можна звернути і створення військової сили. Перспектива створення нових озброєнь і їх швидкого виробництва причина для серйозного занепокоєння. Це призводить до ідеї встановлення ретельного контролю для тих людей, хто є переконаним прибічником розвитку технологии».

Молекулярні нанотехнології, що потенційно можуть вбити цивілізацію, з іншого боку мають великим потенціалом творення, ніж руйнації. У їх відмінність, скажімо, від ядерної енергії, нестримна міць якої набагато більше адресований руйнації. У цьому сенсі прорив людини у мікросвіт дуже нагадує винахід колеса, що має значно більше застосування з метою, аніж за створенні зброї, де вона зазвичай працює лише косвенно.

Залишається небезпека непередбачуваного поведінки наносистем, їх виходу зпід контролю людини. Скільки статей і оповідань було написане, де комп’ютер збунтувався проти людини. Практика натомість розвитку комп’ютерних систем показує, що нічого такого немає і збирається відбуватися. Небезпека що така виникне тільки тоді ми, коли система усвідомлює себе і в неї з’являться власні цели.

На сучасному розвитку поведінка комп’ютерних систем занадто жорстко обмежується алгоритмічними програмами. З іншого боку, ці алгоритми слабко зв’язані з довкіллям, у комп’ютерів лише тепер з’являється слух і зір як мікрофонів і відеокамер, а органів на все довкола практично нет.

Розвиток нанокомпьютеров неминуче пов’язано з створенням нейромереж, припускають випадкові відгуки на зовнішні впливи, та зростання взаємозв'язку комп’ютер — світ. Поруч із величезним зростанням швидкодії і пам’яті в системах очікується самозародження сознания.

Але відмова виконувати волю дозволить статися як тому, що наносистеми почнуть виявляти своєї волі, конфронтуючу волі людини, а недостатнє розуміння людьми наслідків виконання власних бажань наносистемами. Людина неспроможна передбачити всіх наслідків діяльності наносистем з їх дуже високою складності. Станіслав Лем це образно описує так: «Очевидно, як у середовища проживання з’являються зачатки розуму, коли цей розум пересаджують з голів в машини, як від машин, як колись від мамонтів і примітивних рептилій, його успадкують молекули, і молекули ці, удосконалюючи нове покоління тямущих молекул, подолають так званий поріг Скварка, тобто щільність їх інтелекту настільки перевищить щільність людського мозку, що у піщині вміститься розумовий потенціал не доцента якогось, а сотні факультетів разом із їх ученими радами, — вже сам чорт ні, хто, ким управляє: люди шустрами чи шустрі людьми. І йдеться не про горезвісному бунті машин, щодо повстаннях роботів, якими давним-давно, як у моді була футурологія для мас, лякали нас недоучені журналісти, та про процесі зовсім іншого роду Мазуренків та іншого значення. Шустрі бунтують з точністю як і, як зросла на полі пшениця чи мікроби на агаровой плівці. Вони справно роблять, що він доручено, але це усе найкраще і від і наприкінці кінців, починають робити це навдивовижу, як нікому не прийшло на думку в на самому початку… І вже тим паче не вірив, якісь шустрі отримають перевага з людей — не погрозами і силою, але тому що вчена рада, що з двічі професорів, перевершує малого в коротких штанцях. Йому вже зрозуміти їх колективної мудрості, як він намагався. І навіть коли він принц і може наказувати раді, а рада сумлінно виконує його примхи, однаково результати розійдуться з його дитячими очікуваннями, — наприклад, захотіти він літати. Зрозуміло, він літати, але з по-казковому, як і, безсумнівно, собі представляв, не так на килимі-літаку, але чимось на кшталт аероплана, повітряної кулі чи ракети, оскільки навіть найвища мудрість може здійснити, лише те, що можливе світі. І хоча мрії цього шмаркача здійсняться, їх виконання кожен раз для нього несподіванкою. Можливо, зрештою, мудрецям можна було б розтлумачити йому, чого вони йшли до мети не тим шляхом, що він їм зазначив, адже малюк підросте і зможе в них вчитися; але середовище проживання, яка розумнішими своїх мешканців, неспроможна роз’яснити їм то, що вони не зрозуміють, якщо вони — скажімо, нарешті, прямо — занадто дурні для этого».

Крім самовільного непокори систем з їх волі чи дурості людини існує ще чимало можливостей відмови наносистеми виконати волю людини. Частини цих відмов можна, теоретично уникнути, інший частини не можна уникнути в принципе.

Системи наномашин хтось проектувати. Розробка наносистем на початковому етапі знають вимагає величезних витрат праці. Природно, люди, котрі розробили наносистеми, можуть включити до їх програмі підпорядкування лише собі чи покупцю, але відмова служити іншим. Отже, світ може розділитися на дві групи людей (фірм, компаній, держав). Одним наносистеми підпорядковуватимуться, іншим не будут.

Лем про новий світу і творців наносистем пише: «Але тоді як цієї перекроенной нового лад гармонії щось розладнається, хто виправить її? А оскільки хтось має її при цьому запроектувати і запустити виробництво, та людина чи група осіб схильні самозванчески, явним чи, що ще гірше, таємним чином узяти собі роль Господу Богу у тому всепредставлении».

Практично неможливо уникнути непокори наносистеми, якщо бажання кілька людей взаимоисключают одне одного. І тут наносистема, виконуючи наказ одну людину, нічого очікувати коритися іншому. Але цими питаннями займається вже теорія систем. Нанороботи у плані нічим не різнитимуться від сьогоднішніх та майбутніх роботів, хіба що нейропроцессором. Але й моделей поведінки нейросистем, попри відсутність апаратних реалізацій, добре пророблені й изучены.

Розвиток молекулярної нанотехнології можна буде старанно вивчити процеси, які відбуваються всередині клітин організму. Є вагомі підстави думати, що обізнаність того, як функціонують клітини, дозволить створити наномашины ликвидирующие зміни які у клітках і тканинах живого організму з часом. Можливо, вдасться переробити програму, записану в ДНК, те щоб «вимкнути» старіння і поліпшити генетичні параметри організму. Тоді функції регулюючих наномашин візьмуть він органели клетки.

Не чи порушить людина гармонію світу, штучним шляхом досягнувши безсмертя? Крім проблеми перенаселённости Землі, яку, у принципі, можна вирішити, розміщуючись по Всесвіту, є інші докази проти безсмертного человека.

По-перше, покоління людей несе з собою певні моральні підвалини, світоглядні погляди, і тривала життя одного покоління може призвести до застою у розвитку общества.

По-друге, із віком людина виявляє дедалі менше інтересу до життя, в ньому росте втома, вантаж накопичених знань і переживань гнетёт його, так зміна поколінь необхідна підтримки активності постійно на високому уровне.

По-третє, досвід каже нам, що кожен що розвивається процес у природі має своє початок і свій кінець. Безкінечним може лише стаціонарний чи циклічний процес. Оскільки невід'ємною ознакою життя є розвиток, будь-який життєвий процес рано чи пізно повинен закінчуватися смертью.

Але заперечення можливості безсмертя значить неможливість довголіття. Немає жодних принципових обмежень на тривалість життя людини, скажімо, в 1000 років. Таким довгожителем, швидше за все, можна стати з допомогою молекулярної нанотехнології. А подальше збільшення тривалості життя кримчан буде залежати стану нашого суспільства та настрої кожної людини лично.

«Істинному» — тимчасовому довголіття людини, можна протиставити альтернативний варіант «внутрішнього» довголіття, що може дати молекулярна нанотехнологія. І тут, внедрённые у головний мозок наносистеми так змінюють процеси мислення, що такий перебіг внутрішнього часу людини багаторазово пришвидшується. За колишній проміжок часу людина суб'єктивно проживатимуть в багато разів більше. Але такому мозку здаватиметься, що увесь світ впав у дрёму, оскільки йому все фізичні переміщення будуть виконуватися надто повільно, мов у в’язкому сиропі. Навряд таке довголіття доведеться до душі багатьом людям.

Переробка організму людини із єдиною метою лікування хвороб і збільшення тривалість життя з допомогою молекулярних нанотехнологій можливе у досить віддаленому майбутньому (хоча, по оптимістичним прогнозам це станеться наприкінці наступного століття). Але й нині які живуть людей є можливість книги стати такими довгожителями. Цей шанс надає кріоніка — заморожування організму до наднизьких температур після клінічної смерті. Щоправда, це вдатися лише досить багаті і сміливі люди. Бо коли буде можливості розморозити і вилікувати людини, швидше за все, жодної особи з його і знайомих, не що поділили його доля, нічого очікувати живими. Плюс до того що немає істотною гарантії що тіло буде правильно розморожено і буде соблюдён вагу техпроцесс. Сьогодні ні першого не іншого не розроблено. Психологічний аспект проблеми «розмороженого» людини розглядався в багатьох різних творів, від науково-фантастичних до философских.

Заключение

.

Нанотехнологія — безперечно найпередовіше і багатообіцяючий напрям розвитку науку й техніки нині. Можливості її вражають, міць — вселяє страх. Певне майбутнім розвитком технології грунтуватиметься балансі між творенням і руйнацією. З погляду автора, обов’язково з’являться військові й, більше, підпільнохакерські, застосування. Але й розмаїття мирних завдань, поставлених перед нанотехнологией сьогодні, дасть спокою ученим. Нанотехнологія від початку змінить життя. З’являться нові можливості, ідеї, і питання ответы.

Сьогодні здається, новий світ наших руках. Проте за насправді майже всі масові експерименти обмежуються лише спритним гравіюванням атомами. А майбутнє технології закладають уже традиційні галузі техніки. Мікроелектроніка, робототехніка, нейротехнология — звичні слуху назви, які стоять за сьогоднішніми науками, удаваними практично марними і натомість нанотехнологии.

Ми використовуємо досягнення нову технологію сьогодні й не можемо відмовитися. Нам вже складно думати навіть день без компакт-дисків, і навіть усе те, що ми бачимо. Це те, що сховано в корпусу машин, систем безпеки, контролю довкілля. Датчики з урахуванням наноелементів використовуються вже зовсім вже не перший год.

Нанороботи у майбутньому створять інтелектуальне середовище проживання. Буквально все простір буде пронизане ними, вони, зв’язуючись між собою, створять глобальну мережу, з якою можна буде потрапити взаємодіяти без будь-яких терміналів. Завдяки величезній кількості цих роботів, мережу буде «распаралелленной», що дозволить передавати інформацію з неуявної сьогодні швидкістю. На той час нагромадиться досить «контенту» поширення, хоча далі - хтозна, то, можливо за цими мереж передаватиметься і матерія, адже розробки у сфері телепортації також пов’язані відомим имненем IBM.

Нагадую — практично все, що нас нині нанотехнологія, можна відчути сьогодні, завдяки суміжним технологічних розробок. Можна пожити у інтелектуальній техносреде — вже розроблено цілі інтелектуальні вдома, набиті розумної технікою, включаючи аресловутый холодильник з доступом до Інтернету. Микробототехникой займається безліч лабораторій з усього миро, наприклад SANDIA і MEMX. Медицина — биоимплантаты, вживляемые у організм, які мають на борту від чипів зі своєю інформацією до електронних органів. Нейропроцессоры і системи з паралельними алгоритмами перебувають у програмних реалізаціях. Тож нехай повільно, але успішно працюють. Звісно цю справу дуже великі по габаритам, щоб зрівнятися з нанопристроями, проте вже нині ми можемо оцінити, чому ми будемо жити майбутньому, причому дуже віддаленому.

Список литературы

.

1. Drexler K. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of.

Nanotechnology"; Anchor Books; 1986; internet 2. Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992; internet 3. Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the.

Future:

the Nanotechnology Revolution"; 1991; internet 4. Петро Лускинович; «Нанотехнологія»; Журнал «Комп'ютера» internet 5. Михайло Соловйов; «Нанотехнологія — ключі до безсмертя і свободам»; Журнал.

«Компьютера».

internet 6. Бёрд Ківі; «Микроботы: технологія майбутнього сьогодні»; Журнал.

«Компьютера».

internet 7. Sandia National Laboratories Official Site.

internet 8. MEMX Official Site.

internet 9. P. S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.

Copyleft hpf.

[pic].

[email protected].