Будущее развитие МЭМС и «сухой»нанотехнологии
Виктор Лапай
Украина
Кибержизнь
Любая форма жизни невозможна без переноса веществ.Такой перенос возможен либо путём диффузии, либо путём целенаправленногомеханического перемещения. Кибержизнь — это жизнь не на химической, броуновскойоснове, а на основе микророботов.
Первым максимально чётко эту проблему сформулироваламериканский физик Ричард Фейнман почти пятьдесят лет назад: необходимо создатьтакой робот, который может построить свою уменьшенную копию. Копия сделает ещёменьшую копию и так далее, до атомного уровня. Жаль, что тогда решение этойпроблемы так и не было найдено.
Чтобы найти решение, надо максимально упростить ирасширить входную проблему.
Во-первых, анализ показывает, что необходимый намробот и управляющий ним компьютер можно сделать всего их двух материалов — металла и диэлектрика, то есть, необходимо всего два вида «атомов».
Во-вторых, элементарная частичка системы вовсенеобязательно должна быть равна реальному атому. Это может быть «атом» размером10 нм, или даже микрон, главное, чтобы робот, строя свою копию, сохранил илиуменьшил минимальный размер.
Для этого, в третьих, необходимо заостритьстроительную иглу робота. Существует несколько способов, как это сделать, одиниз которых был теоретически найден и экспериментально подтверждён в лабораторииперсонально автором. Это очень важный момент, потому что именно он даёт ключ крешению проблемы, ведь при строительстве копий используется только кончикстроительной иглы.
Наипростейший робот Фейнмана может иметь вид мягкойметаллической спиральной пружинки со строительной иглой на конце, с трёх сторонкоторой (пружинки) размещены управляющие электроды. В зависимости от разницыпотенциалов между пружиной и электродами, она растянется и изогнётся внеобходимом нам направлении.
Уже сам по себе микроробот есть прототипэлектромеханического транзистора, точнее, несколько упрощенная его конструкция.Автоматически возникающие в этой схеме диффузионные проблемы вполне решаются.Теоретически существуют, так же, другие схемы МД — транзисторов без движущихсячастей.
Предварительные расчёты показывают, что даже такаяпростая форма кибержизни может существовать в природе. При разогреве микророботамистроительного материала постоянным током на катоде выделяется металлоиды, нааноде окислители и накопится диэлектрическая фаза.
От такой простой формы до полноценной кибержизни лежиттакой же сложный путь, как от наипростейшего вируса до сине-зелёной водоросли.Если хорошо подумать, то полноценная киберклетка, используя солнечную энергию иатомы окружающей среды, окажется очень похожей на обычную биологическую, толькоона сможет успешно функционировать при очень низких температурах и в условиях высокоговакуума. Микророботы станут похожими на биологические микротрубочки, самоекомпактное хранение и обработка информации – на свёрнутых линиях-аналогах ДНК ит.д. На микророботах появятся специальные молекулярные насадки. Электрическийток или давление может инициировать необходимые химические реакции даже приочень низких температурах.
Между кибернетической и химической формами жизни естьнепосредственная связь, хотя это две принципиально разные формы жизни. Вусловиях высоких температур и растворяющей жидкости становятся ненужными микророботы, от них остаются только изменённые молекулярные насадки. Система делаеткачественный скачок и становится химической. Тем не менее, она все равноостаётся, по сути, электромеханической, так как любое химическое взаимодействиеесть взаимодействие смещённых зарядов. Туннельный эффект не позволяеткибержизни достичь такого максимального уровня миниатюризации, какимхарактеризуется биожизнь.
Биологическая жизнь есть вершина совершенства иминиатюризации кибернетической жизни. Усовершенствовать её, а тем болееминиатюризировать, практически невозможно.
Вполне возможно, что вероятность зарождения кибержизниво Вселенной намного больше, чем у химической. Ведь, даже на поверхности Луныесть вполне достаточно диэлектрических и металлических частичек (этофактические данные), которые достаточно активно движутся — неплохие условия длязарождения и развития кибержизни. Впрочем, это совсем не означает, что онакипит во Вселенной. Напротив, вероятность зарождения любой формы жизнинастолько мала, что искать её за пределами планеты Земля — это только зрятратить время и деньги.
Вполне может быть, что по каким-то причинам кибержизньне может самостоятельно существовать в природе. Но это не означает, что она неможет существовать в искусственных условиях, созданных человеком. Именно такая,максимально упрощённая, форма кибержизни лежит в основе разработанной авторомметалл-диэлектрической технологии. Эта технология базируется исключительно наэкспериментальных данных и есть, по сути, логичным развитием в третье измерениетехнологии Микро Электро Механических Систем (МЭМС).
Металл-диэлектрическая технология (МД — технология)
Первоначальная идея «размножающихся микророботов»слишком сложна и сыра, чтобы быть реализованной на современном уровнетехнологического развития. Сначала её надо максимально упростить. Чем прощесистема, тем больше шансов её реализовать.
Во-первых: Надо избавится от микророботов. Онизначительно усложняют и тормозят весь процесс. Выращивание копий будет за счётколебательных движений основы по принципу строчной развёртки. Это значительноускоряет процесс.
Во-вторых: Надо ускорить подачу строительногоматериала и отвода отходов. Наиболее просто это сделать для жидких игазообразных компонентов через систему каналов.
В-третьих: Ни одна электромеханическая система неможет соперничать в быстродействии с чисто электронной схемой. Управляемыйэлектрический ток между строительной иглой и основой позволяет максимальнобыстро и точно осуществить массоперенос или осаждение необходимых веществ. Вэтом случае автоматически возникает проблема диэлектрика, который не проводитток. Эта проблема имеет решение.
В основе МД-технологии лежит очень простая идея. Предположим, что нам каким-тообразом удалось вырастить систему алюминий-золото-вакуумные каналы. Мы получимнеобходимую нам МД-структуру всего после одной операции химического окисления,так как золото не окисляется, а оксид алюминия прекрасный диэлектрик. Эту идеювозможно развить далее. Возможно применить только один металл и полимерный, ане ионный, диэлектрик. Микророботы исчезают, остаются только МД-транзисторы.
Парадоксально, но сначала даже они не понадобятся.Вполне работоспособным может быть даже неполноценный вариант МД-технологии — без МД-транзисторов. Предварительные расчёты показывают, что плотность ибыстродействие полупроводниковых транзисторов уже достигли величин, достаточныхдля эффективного управления выращивания МД-структур даже при минимальной ширинелинии, ведь этот процесс всё ещё остаётся плоским. Базовые элементы, выращенныена микросхеме, могут, в свою очередь, на других микросхемах вырастить намногоболее сложные объёмные МЭМС с гораздо более меньшей шириной лини, чем сейчас.
Такая «гибридная» схема наиболее близка к современнойтехнологии МЭМС и будет реализована на первом этапе. Более того, такая схемаможет кардинально изменить даже саму технологию создания полупроводниковыхсхем. Строительные иглы могут локально осуществить массоперенос, разогрев итравление — все необходимые операции. Технология МЭМС уже давно создалаработоспособные электромеханические транзисторы, что позволяет реализовать иполноценный вариант МД-технологии.
Очевидно, что МД-технология невозможна без заострениястроительных игл. Этот процесс играет здесь такую же ключевую роль, какуменьшение фотошаблона линзами или фокусировка электронного луча в планарнойтехнологии. Мощность МД-технологии в том, что её базовые элементы, как и любаядругая форма жизни, могут размножаться экспоненциально. Поэтому даже привозможной значительной коррозии базовых элементов и других проблемах эта схемаостаётся работоспособной. Первые такие «клетки» микронных размеров будутсделаны иглой туннельного микроскопа.
Туннельный эффект ограничивает толщину диэлектриказначением 5-10нм. Плотность элементов в таком компьютере достигнет значения 1020-1021м-3. В зависимости от размеров, конструкции, рабочего напряженияэлектромеханических транзисторов их быстродействие составит10-4 — 10-9с.,для неподвижных модификаций до 10-11с. Потребление энергии на однопереключение составит 10-8-10-18Дж. Скорость выращиванияполыми электродами достигнет 10-6-10-5м/с. и будетлимитироваться отводом тепла.
В наипростейшем варианте МД-технологии объёмныйкомпьютер сначала будет всего-навсего куском тугоплавкого металла с многочисленнымипорами разного размера. Строго дозированная операция химического окисления и,возможно, травление, преобразует его в необходимую нам МД-структуру. Потом порызаполняют специальными веществами и компьютер готов к действию. Существуетнесколько конкретных кандидатов на эти процессы. (В действительности, всё такпросто только на бумаге. Возможно, будет использовано больше компонентов ибольшее число операций обработки основы.)
Технология МЭМС экспериментально подтвердилатеоретические основы МД-технологии. Целесообразно использовать в МД-технологииматериалы и химические способы обработки основы технологии МЭМС, постепенноуменьшая ширину линии от уже освоенной до минимальной 0,005 мкм. Необходиморазвивать дальше уже полученные в «сухой» нанотехнологии способы массопереносаи искать новые, например, электрохимию.
Хочу подчеркнуть, что даже максимально упрощённаяпроблема кибержизни остаётся достаточно сложной научной проблемой, поэтому неудивительно, что другие пути пока ещё не дали желаемый результат. Двадцать летнанотехнологии наглядно это продемонстрировали.
Разработка МД-технологии требует большого объёма экспериментов и решениямногочисленных проблем. Но и прибыль ожидается соответствующая. Это рынок надесятки и даже сотни миллиардов долларов в год.
Применение МД-технологии
Вполне возможно создать электромеханическиетранзисторы с двумя или тремя устойчивыми состояниями. Это почти идеальныеячейки памяти, только довольно медленные. Гибридные микросхемы сделают запись исчитывание многоканальной и ускорят её до 108-109 Гц.Такие объёмные ОЗУ вытесняет сначала все аудио, а потом и видео носителиинформации, не говоря уже о компьютерах.
Вполне возможно создать электромеханическиетранзисторы с очень маленьким потреблением энергии до 10-18Дж именьше. Хотя этот результат достигается за счёт значительного уменьшениябыстродействия, но в большинстве практически значимых случаев важнапараллельная, а не последовательная вычислительная мощность компьютера. Именнотак работает мозг человека. При уменьшении ширины линии до минимальной,объёмный компьютер с такими транзисторами по всем параметрам превзойдет мозгчеловека. Даже такая простая форма искусственного интеллекта, как электронныйводитель, может дать значительную прибыль.
МД-технология захватит значительную частьпотенциального рынка МЭМС. Это плоские мониторы, медицинские микромашины,микросборка, сортировка и многое другое. Будут созданы мощные, компактные,экономные трансформаторы постоянного и переменного тока, выпрямители,преобразователи частоты. Также возможно создание структур с развитойконтролированной поверхностью, аккумуляторы, топливные элементы, химическиереакторы.
Но всё-таки самым мощным применением МД-технологиистанет электростатический двигатель. Это мощный, экономный двигатель плёночноготипа без трения и механических контактов. В принципе, его возможно создать и спомощью планарной технологии. Если работает плоский телевизор, то будетработать и электростатический двигатель. Его КПД составит 99-99,9%, рабочеенапряжение 10000-1000 В и меньше, касательное давление – 105 Па ибольше, скорость движения превысит 100 м/с. Гибкий ротор двигателя разбит нанебольшие автономные кусочки, которые могут подстраиваться в процессе движенияпод неизбежные небольшие неровности статора. Только таким способом возможносочетать субмикронную точность и метровые линейные размеры двигателя, игнорируявибрации и перекосы. Разработка теории двигателя требовала значительных усилийи решения нескольких принципиальных проблем. Это наилучшее моё изобретение и ягоржусь им даже больше, чем решением проблемы кибержизни.
Для примера, рассмотрим применение этого двигателя вавтомобиле: Произойдет замена аккумулятора на маховик на электрическойподвеске, колёса станут двигателями, экономичная активная подвеска, в будущемгенератор и стартер объединятся непосредственно на поршне. Тепловой двигательстанет экономней и проще, все механические связи заменят электронные, не говоряуже о таких «мелочах» как активные кресла, двери и т.д. Торможение и ускорениев максимальном режиме на любой рабочей скорости и наклоне трассы, за счётрекуперации энергии расход топлива в городском цикле уменьшится до 2-4л. на 100км. Всё это может стать реальностью.
Вершиной развития МД-технологии станет созданиекибернетических организмов. Применяя только металл и диэлектрик, возможновырастить почти полноценный киберорганизм с многочисленными датчиками давленияи температуры, вестибулярным аппаратом, зрением и слухом, отличной координациейдвижения, развитой нервной системой, мощными мышцами и интеллектом. Необходимотолько добавить обоняние и вкус. Рынок домашней прислуги огромен и можетпревысить рынок автомобилей. Может стать реальностью угроза создания самогострашного оружия — библейской «железной саранчи». Размножаясь, она сожрёт всё живоена Земле и необратимо загадит атмосферу дымом.
Главное, что МД-технология создаст все необходимыеусловия, (микророботы и объёмные компьютеры) для перехода на следующий этапнаучно-технического развития — создания молекулярной машины.
Молекулярная Машина
Через двадцать, максимум тридцать лет после началаинтенсивных исследований в нужном направлении на Земле настанет новая эра — эраМолекулярной Машины. За дверями с такой вывеской в строении солидных размеров,человека усыпят, охолодят или, даже, заморозят и поместят в специальную камеру.Как только двери камеры закроются, на тело надвинется одна из её стенок,разрывая его на микронные кусочки. Всем этим займутся роботы микронныхразмеров. Двигаясь с помощью электрических полей, они, как экскаваторам, вырвути перешлют в глубь стенки эти кусочки, где те мгновенно замёрзнут и поступят ванализатор. Там другие микророботы со специальными молекулярными насадками илибез них, приблизительно за десять минут разберут их на молекулы или атомы. Онипромеряют, как в атомно-силовом микроскопе, размеры каждой молекулы, на этомосновании определяя их химический состав, и параллельно их рассортируют.
Полученная таким образом информация о строении человеческого тела поступит вчрезвычайно мощный объёмный компьютер, где будет сильно сокращена и сжата.Хотя, в результате такого варварского вскрытия часть информации будет утрачена,благодаря тому, что полученные кусочки меньше размеров клеток, а все химическиесоединения в организме человека продублированы, достаточно легко можно будетопределить биологический вид каждой клетки, её химический состав и её связи сдругими клетками. В целом душу человека можно полностью описать 1016-1020бит информации, а при максимальном её сжатии — 1011-1012 бит.
Процесс сборки пойдёт обратным путём. На основанииполученной от компьютера информации, роботы-анализаторы соберут из молекулполикристаллические кусочки плоти с минимальным количеством радикалов (то естьразорванных молекул) на стенках. После сборки из этих кусочков замороженного человека,тело постепенно, на протяжении многих часов, разогреют до нормальнойтемпературы. При выполнении определённых условий, человек даже может и непочувствовать, что прошёл молекулярный анализ.
Для некоторых холоднокровных организмов размораживаниеобычная вещь, с теплокровными сложнее. Учёные считают главным условием успехадостаточно маленькие кристаллики льда и неповреждённые биомолекулы. Очевидно,что эти и другие условия легко выполнить в процессе сборки. Даже если призаморозке биомолекулы будут частично повреждены, это никак не повлияет на успехмолекулярного анализа. Те, кто при жизни или сразу после смерти был замороженпо специальной технологии, имеют все шансы совершить удачное путешествие вбудущее.
Последствием создания молекулярной машины будут простограндиозными. Самое главное — это абсолютное бессмертие. Действительно,предположим, вы прошли молекулярный анализ, и попали в авиакатастрофу — ничегострашного, вас восстановят по последней копии. Чем чаще проходить молекулярныйанализ, тем меньшими будут провалы памяти в случае внезапной смерти, а если вмозге будет работать что-то, похожее на радиотелефон, то потери информациистанут минимальными. Кроме этого, радиопередатчик позволит избежатьдублирования. Усовершенствованная память даст возможность жить, ничего незабывая, миллиарды лет, то есть — практически вечно. Другой вопрос — зачем житьтак долго? Но мы сейчас рассматриваем возможности научно-техническогопрогресса, а не его последствия.
Молекулярная машина позволит как угодно, вплоть дофизических ограничений, изменять сначала физические, а потом психические иинтеллектуальные параметры человека. Можно будет как угодно изменить своювнешность, стать молодым, старым или ребёнком, мужчиной или женщиной, дажепревратиться в животное *, или вообще, не в биологический, а кибернетическийорганизм. Легендарная Панацея- средство от всех болезней, имеет название«Молекулярная Машина». Вполне возможно, что таким образом удастся сделать любуювещь и еду.
Только молекулярная машина станет мостиком между реальным и электронным миром.Современная виртуальная реальность только грубая пародия на то, что нас ожидаетв будущем. Нулевые фононные компьютеры * создадут миры, полностью подобныереальному, но в то же время полностью подвластные людям. Возможности человека вэлектронных мирах настолько фантастичны, что, вероятно, большая частьчеловечества будет жить именно там. Электронные миры окончательно сотрут граньмежду жизнью и смертью.
Наверное, только после создания молекулярной машиныпоявятся роботы, способные потеснить человека во всех сферах его деятельности.Проблема искусственного интеллекта чрезвычайно интересна, сложна, и на 90%связана с проблемой сжимания видеоинформации, поступающей в мозг робота, доуровня приблизительно сто бит на кадр и созданием базового дерева изприблизительно тысячи слов. Появятся роботы с интеллектом в миллион раз болеемощным, чем средне человеческий, то есть их коэффициент интеллекта достигнет300 единиц и более. В целом люди не выдержат такой конкуренции, если существенноне улучшат свои умственные способности. Только вряд ли конкуренция будетчестной со стороны людей.
Парадокс в том, что «человеку разумному», какбиологическому виду, разум как раз и не нужен. Это хорошо видно на примерешахматных программ. Гроссмейстерская программа должна за секунду просчитать втысячу раз больше ходов, чем средняя шахматная программа. Причём этосоотношение мощностей невозможно улучшить. Вполне очевидно, что это справедливои для людей. Такой огромный диапазон главного параметра характеризует интеллекткак второстепенную функцию организма, чему есть много примеров и в жизни.
Наконец, молекулярная машина позволит осуществитьдалёкие путешествия, потому что вместо тела достаточно передать информацию оего строении и вас соберут на другом континенте, другой планете или на бортукосмического корабля. Освоение человеком солнечной системы станет реальнымтолько после создания молекулярной машины.
Молекулярная машина — это ещё не последний, но самыйважный этап развития НТП. Влияние её создания на ход земной цивилизации оченьинтересен и заслуживает на отдельное рассмотрение.
Несмотря на огромные затраты энергии (не менее 10000кВт-часов электроэнергии на один молекулярный анализ) страна, первой создавшаямолекулярную машину, сразу станет мировым лидером и будет беречь тайну еёсоздания бдительней, чем ядерные секреты. Без политики здесь не обойтись. Ведь,наверное, все хотят быть бессмертными, здоровыми, молодыми и красивыми и многокто может выложить за это кругленькую сумму. Не говоря уже про все тегражданские и военные технологические штучки, которые обеспечивают мировоепервенство.
Парадоксально, но все необходимые исследования нетребуют больших денег и могли начаться много лет назад. Это вопрос потенцииучёных, а не образования и финансирования.
Молекулярная машина. Анализ.
Возможно, 20 лет покажется кому-то слишком быстро инереально, но это не так. Пять лет уйдёт на развитие МД-технологии, пять лет насоздание первых образцов молекулярной машины и десять на то, чтобы пройти весьпуть от клетки до человека. Если проводить интенсивные исследования и невозникнут серьёзные проблемы, то такой темп вполне реален. Молекулярная машинауникальный, очень дорогой объект, как космический корабль. Стоимость технологииеё изготовления не имеет большого значения, что резко сокращает темпы.
Есть серьёзные подозрения, что в большинствепрактически важных случаев атомная сборка невозможна. Но это никак не повлияетна молекулярный анализ человека. Фактически живая природа успешно проводитмолекулярный анализ ежесекундно. Биологические молекулы достаточно большие,чтобы ними можно было манипулировать. Биотехнология позволяет заменитьповрежденные во время анализа молекулы на целые. Всё это рождает оптимизм. Еслибы нейронные клетки не имели такие долгие и перепутанные отростки, то можнобыло бы обойтись и без замораживания, а уровень манипуляции повысить доотдельных клеток. Но правила игры устанавливает природа, а не мы.
Атомно-молекулярный анализ и сборка будетсопровождаться огромным энергозатратами. Это неизбежная плата за возможностьконтролировать процесс. Если когда-нибудь энергетический КПД молекулярногоанализа человека достигнет 1%, то это будет огромным достижением. Болеевероятна цифра в десятки раз меньше. Постепенно энергозатраты уменьшатся. Температураувеличится от 4К до 200 — 250 К, возможно процесс анализа станет болеебиохимическим. Если повезёт, то анализ и сборка будут осуществляться болеекрупными блоками, чем молекулы, и эта проблема исчезнет. Тогда молекулярныйанализ станет дешёвым и общедоступным. Будем надеяться на лучшее, но готовитьсяк худшему.
Фактически, речь идёт о дальнейшем развитиемикрохирургии. К моменту создания молекулярной машины биотехнология уже сможетвыращивать все клетки и биохимические соединения, характерные для каждогоотдельного человека, и возникнет вопрос, как из этого биоматериала сложитьживой орган или целого человека. Если это можно сделать на уровне клеток –прекрасно, если для этого необходимо перейти на уровень молекул – значитмикрохирургия переростёт в нанохирургию.
Базовая система из минимум четырёх микророботов типатрубчатого СТМ будет иметь размер около микрометра. Рабочий диапазон составитвсего 10нм, что вполне достаточно. Такая система может провести молекулярныйанализ всего за 100сек. Уже при такой скорости анализа выделяемая объёмнаятепловая мощность достигнет огромной величины, как в ядерном реакторе.Дальнейшая миниатюризация микророботов не целесообразна, она ничего не даст,кроме серьёзных дополнительных проблем. Прежде чем проектировать «молекулярныешестерёнки» и т.п., надо сначала выяснить их необходимость вообще.
Элементарные подсчёты показывают, что скорость сборкиатом за атомом слишком мала, чтобы вырастить сразу всё изделие. Сначалапараллельно будут выращены кубики размером 0,1-1 мкм, а затем из нихмикророботы составят изделие. Если стенки кубиков будут атомно-гладкими, то онинамертво спаяются. Но такие кубики можно получить и другим путём.
Намного проще, быстрее, экономичней их просто вырезатьмикророботами из моно или поликристаллического сырья. При низких температурахвсе вещества, кроме гелия, стают твёрдыми. В такой схеме автоматическивозникают проблемы загрязнений, неравномерности теплового расширения и другиемеханические напряжения, взаимодействие радикалов на стенках и другие проблемы.Все вышеперечисленные проблемы возникнут и в молекулярной машине. Эти проблемысложные, но вполне разрешимые. Если какой-либо объект охладили жидким гелем ион не разрушился, значит, его возможно собрать по такой схеме.
Именно эта схема станет основой будущей промышленнойреволюции. Таким способом возможно собрать практически любой промышленный товарот шестерёнки до аэробуса и объёмного полупроводникового компьютера, при чём,при вполне приемлемых энергозатратах.
Таким образом, независимо от возможности или невозможности свободнойманипуляции атомами, кибернетический путь в нанотехнологии обещает большиевозможности. Только надо идти вперёд, а не топтаться на месте, как сейчас.Удивительно, но за всё это время развитие «сухого» направления нанотехнологиизастопорилось на первом шаге — выводе о необходимости создания проводящих и непроводящих электрический ток структур.
Схема «МЭМС-МД-технология-Молекулярная машина» несодержит логических противоречий и ясно просматривается на всех этапах. Раноили поздно технологическое развитие всё равно пойдёт именно таким путём. Еслидаже эта реклама не позволит начать, наконец-то, необходимые опыты, то я могуподождать ещё, тем более, что я жду этого момента уже пятнадцать лет.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованыматериалы с сайта www.nanonewsnet.ru/