Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 06
Так выглядит сегодня главный блок атомного силового микроскопа.
«Наноруки» на нанозаводах
Первой областью, в которой они начнут работать, наверное, станет микро-, точнее, наноэлектроника. Дело в том, что у микросхем, изготовляемых традиционным способом, есть два фундаментальных недостатка. Во-первых, традиционная технология, как уже говорилось, не может оперировать с элементами схем меньше сотен атомов в размере. И во-вторых, она не позволяет создавать объемные схемы, что повысило бы вместимость чипов в десятки раз и во столько же уменьшило их размеры. А это, в свою очередь, открыло бы возможности создания нейронных схем, подобных тем, что работают в человеческом мозге.
Первые шаги в этом направлении уже сделаны! В 1998 году датские ученые продемонстрировали атомный триггер, состоящий из… одного атома кремния и двух атомов водорода.
Можно сказать, что современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать бит информации с помощью одного электрона.
Однако настоящая революция в нанотехнологии произойдет, лишь когда десятки, сотни «нанорук» под управлением нанокомпьютеров будут собраны в бригады, появятся первые нанозаводы, способные, следуя заданным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины.
Такие устройства некоторые специалисты называют «ассемблерами», или сборщиками. Ну а бригады, состоящие из них, — соответственно «ассамблеями» или «ансамблями».
Полагают, что лет через 10–15 такие ансамбли смогут переставлять с места на место примерно миллион атомов в секунду. За тысячу секунд, или немногим больше чем за 15 минут, такой ассемблер сможет скопировать самого себя. Это уже сопоставимо с тем временем, за которое воспроизводит сама себя обыкновенная бактерия.
По нашему образу и подобию?
Отсюда вытекают уже грандиозные возможности — тонна ассамблеров сможет быстро построить тонну еще чего-нибудь. Причем конечный продукт будет иметь все свои триллионы триллионов атомов в нужных местах без всяких стружек и прочих отходов.
А это фактически приведет к тому, что станут совершенно ненужными все современные производства, начиная от сталеплавильных комбинатов и машиностроительных заводов и кончая агрофермами и пищевыми комбинатами. Зачем что-то растить на огороде, когда готовый продукт можно сразу получить в чане биореактора?..
В свое время (см. «ЮТ» № 10 за 1988 г.) мы писали о том, что современная технология позволяет ракеты не строить, а… ткать. Сегодня мы можем помечтать о том времени, когда ракетные двигатели для тех ракет будут выращивать.
Представьте, в цехе стоит огромный бак, внутри которого расположена опорная плита. На ней — «семя»-механозародыш — нанокомпьютер с хранящимися в кем планами будущей конструкции. На поверхности «зародыша» имеются места, к которым прикрепляются ассемблеры.
Насосы заполняют емкость густой жидкостью, которая состоит из ассамблеров (их вырастили и перепрограммировали в другом чане), а также того сырья, из которого хотят получить нужное нам изделие.
Ассамблер-сборщик прилипает к «семени» и получает от него инструкцию по дальнейшим действиям. А дальше все идет примерно так же, как в живом организме после оплодотворения. Одна клетка делится на две, те еще пополам… Сначала эти «клетки» не имеют специализации, они просто наращивают количество себе подобных.
Но вот рубикон перейден, количество перешло в новое качество. И ассамблеры начинают специализироваться. Их сообщества постепенно превращаются в органы — детали будущего агрегата. За несколько часов каркас из ассамблеров вырастает так, что уже соответствует конечной форме двигателя.
По мере того, как ведется сборка, в «семя» поступают запросы на те или иные химические элементы, и их по мере надобности добавляет в бак. И к концу смены, глядишь, из него вынимают уже готовый двигатель. Или тонну колбасы… Или фруктовое пюре…
Ведь ассамблерам в общем-то без разницы, что именно делать.
Растущие механизмы
Когда же можно будет ожидать появления первых наномеханизмов? Известный специалист Эрик Дрекслер полагает, что такое производство получит широкое распространение уже к середине нынешнего века.
И тогда наше хозяйство преобразится. Комплексы нанороботов заменят естественные «машины» для производства пищи — растения и животных. Вместо длинных цепочек «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» останутся лишь «почва — нанороботы — молоко».
Или, если хотите, сразу творог. Или мясо. Уже жареное…
В быту появятся умные вещи, созданные наномашинами. Мало того, что они смогут видеть, слышать и даже соображать. На базе нанотехники ничего не стоит создавать предметы и конструкции, изменяющие свою форму и свойства.
Скажем, в зависимости от количества пассажиров автомобиль, например, сможет отращивать дополнительные сиденья, а его двигатель — заживлять царапины на стенках цилиндров.
Человечество перестанет вредно влиять на окружающую среду. Потому как все отходы будут тут же превращаться в полезное исходное сырье для новой нанопереработки.
Таковы перспективы завтрашнего дня, обрисованные зарубежными специалистами.
Скатерть-самобранка XXI века
«Ну а что делают наши нанотехнологи?» — наверняка спросите вы.
Мы уже рассказывали (см. «ЮТ» № 10 за 1993 г.), как работают специалисты в НИИ «Дельта», где создают первые образцы «скатертей-самобранок XXI века». Именно так называет устройства, создаваемые здесь, один из его конструкторов — П.Н. Лускинович.
И ему вполне можно верить, поскольку его слова подтверждаются работами сотрудников возглавляемой им лаборатории.
Со стороны все выглядит на редкость обыденно. За дисплеем персонального компьютера сидит молодой человек, постукивает по клавишам. А рядом на рабочем столе стоит небольшое устройство, размерами и блеском никеля напоминающее кофейник. «Кофейник» и оказался тем самым атомным силовым микроскопом, с помощью которого можно манипулировать атомами. Чем, кстати, молодой человек и занимался.
Настукивал на клавишах программу работы персональному компьютеру, а тот, в свою очередь, командовал молекулярной сборкой. И на телеэкране было отчетливо видно, как на глазах менялся рельеф бугристой поверхности — одни атомы замещались другими.
Атом к атому, молекула к молекуле… Получается клетка. Потом несколько клеток формируют зародыш органа, а из органов в конце концов вырастает организм. Вот эту-то операцию, лежащую в начале всех начал, и отрабатывают ныне ученые. Раз за разом, атом за атомом пробуют они разные комбинации, подбирают наилучшие алгоритмы действия.
Пока все это делается довольно медленно. Но не забывайте, что действуют специалисты все-таки не голыми руками, а с помощью туннельных микроскопов и ЭВМ. А компьютер — такая машина: научи ее однажды чему-то, и она уже не забудет. И вскоре сможет выполнять разученные операции со сказочной быстротой, круглые сутки без остановки.
П.Н. Лускинович (в центре) со своими коллегами.
Станислав СЛАВИН
СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
Цифры вместо «птичек»
Последнее время в магазинах все чаще наряду с обычными фотоаппаратами продают так называемые цифровые фотокамеры. Не могли бы вы рассказать, чем они отличаются от обычных? Каковы их преимущества и недостатки?
Олег Воротников,
Московская область
Цифровой аппарат отличается от пленочного прежде всего тем, что в нем изображение воспринимает не пленка, а электронная матрица. В большинстве бытовых цифровых аппаратов она имеет меньшие размеры, чем стандартный кадр 24x36 мм. А если размер «негатива» составляет всего 1/8 пленочного кадра, это позволяет значительно уменьшить габариты самого аппарата, снизить стоимость объективов к нему. В итоге аппаратура получается весьма компактной, легкой и довольно дешевой при неплохом качестве изображения.
Дело в том, что качество цифрового снимка определяется не размером негатива, как в обычной фотографии, а разрешением матрицы. Она измеряется в пикселях — точках на единицу площади. Так, скажем, для журнальной обложки хорошего качества размером А4 (то есть стандартный бумажный лист 210x297 мм) требуется, чтобы качество изображения было в пределах 3 млн. пикселей (или 240–250 пикселей на дюйм). Если вам нужно изображение размером АЗ — то есть вы собрались печатать шикарный многокрасочный календарь, — вам необходимо 4–5 млн. пикселей (или 400–450 пикселей на дюйм).
Причем количество чувствительных точек на матрице, вообще-то говоря, слабо связано с ее собственными размерами. Даже при площади в 1/8 обычного кадра число пикселей может достигать 3 и более млн. Правда, при увеличении размеров самой матрицы, как правило, повышается чувствительность каждого элемента. Если, скажем, при мини-формате максимальная чувствительность составляет около 400 ед. АСА, то при размерах матрицы, скажем, в 1/2 стандартного кадра чувствительность уже может быть 1600 ед. АСА, а то и выше.
