Четверг, 20 июня 2019 года

2011-12-09    ::   «Надо подумать»    ::   Pelikan
Мастерок для кирпичиков мироздания (окончание)

На протяжении второй половины 20 века развивались как технологии миниатюризации (в микроэлектронике), так и средства наблюдения за атомами. Основные вехи микроэлектроники таковы:

1947 - изобретение транзистора;

1958 - появление микросхемы (это когда транзисторы, резисторы, диоды, соединительные провода размещаются на одном кристалле полупроводника, "подложке");

1960 - технология фотолитографии, промышленное производство микросхем;

1971 - первый микропроцессор фирмы "Интел" (2250 транзисторов на одной подложке);

1960-2008 - действие "закона Мура" - количество компонент на единице площади подложки удваивалось каждые 2 года.

Дальнейшая миниатюризация упёрлась в пределы, задаваемые квантовой механикой. Что касается микроскопов, то интерес к ним понятен. Хотя рентгеновские изображения и помогли "увидеть" много интересного - например, двойную спираль ДНК - микрообъекты хотелось разглядеть получше. Здесь хронология такова:

1932 - Э.Руска изобрёл просвечивающий электронный микроскоп. По принципу действия он похож на обычный оптический, только вместо фотонов - электроны, а вместо линз - магнитная катушка. Микроскоп давал увеличение в 14 раз.

1936 - Э.Мюллер предложил конструкцию автоэлектронного микроскопа с увеличением более миллиона раз. По принципу действия он похож на театр теней: на экране высвечиваются изображения микрообъектов, расположенных на острие иглы, излучающей электроны. Однако, дефекты иглы и химические реакции не давали возможности получить изображение.

1939 - Просвечивающий электронный микроскоп Руски  стал увеличивать в 30 тысяч раз.

1951 - Мюллер изобрёл автоионный микроскоп и получил изображение атомов на острие иглы.

1955 - Первое в мире изображение отдельного атома, получено автоионным микроскопом.

1957 - Первое в мире изображение отдельной молекулы, полученное автоэлектронным микроскопом.

1970 - Изображение отдельного атома, полученное просвечивающим электронным микроскопом.

1979 - Бинниг и Рорер (Цюрих, IBM) изобрели сканирующий туннельный микроскоп с разрешающей способностью не хуже вышеупомянутых. Стало возможным наблюдение объектов не только в вакууме, а в газах и жидкостях (здравствуй, микробиология!); плюс к тому, микроскоп давал истинно трёхмерную картину рельефа поверхности.

Об этом микроскопе стоит сказать подробней. Во-первых, в отличие от предшествующих, изображение создаётся компьютерной программой по сигналам от иглы, "ощупывающей" поверхность. 

Во-вторых, процесс ощупывания основан на существенно квантовом туннельном эффекте. Игла микроскопа медленно движется над "осматриваемой" поверхностью со сложным рельефом. По мере приближения иглы к поверхности возрастает вероятность того, что электроны с острия иглы будут проскакивать ("туннелировать" :-)) через энергетически запрещённую область между иглой и поверхностью - возрастает электрический ток через иглу. Электроника отслеживает изменение тока и посылает сигнал на компьютер, формирующий изображение, а также автоматически приподнимает иглу - движение иглы повторяет рельеф поверхности.

Но самое главное - это "в-третьих". Известно, что процесс наблюдения за квантовым объектом невозможно отделить от процесса взаимодействия с ним. Поэтому воздействием иглы микроскопа на наблюдаемые объекты, вообще говоря, нельзя пренебречь. Однако, у такого воздействия обнаружились достоинства, с лихвою компенсирующие недостатки. Оказалось, что иглой микроскопа можно цеплять и двигать молекулы; или, скажем, надавливая на молекулу, можно менять её электрическое сопротивление! В дополнение к бурно развивающемуся процессу миниатюризации (см. выше) появилась возможность развивать технологию манипулирования отдельными атомами, собирать из них нанодетальки (у фантастов даже появилось словечко "наноассемблер"). Такой подход, в корне отличающийся от миниатюризации, поначалу получил название "нанотехнология" (единственное число!). (Технологии миниатюризации основаны на манипуляциях с веществом как с непрерывной средой. В конце 1980-х считалось, что нанотехнолог - это не скульптор, убирающий лишнее с нанодетальки или напыляющий тончайшие покрытия, а конструктор, собирающий нанодетальки из отдельно взятых атомов.)  Однако, в результате политических баталий 1990-х "нанотехнологий" стало много, а та самая прежняя "нанотехнология" стала лишь одной из них, мы будем называть её "механосинтезом". А о политике речь пойдёт в моей следующей статье.

Пока же я попрошу у утят ещё немного внимания и постараюсь объяснить физический смысл понятия "наномасштаб" и почему так важно подниматься "со дна".

Мы хорошо знаем, что энергия отдельного атома может принимать строго определённый набор значений, а энергия макрообъекта (скажем, кристаллика льда) может быть любой. Сформулируем это поаккуратнее, учитывая принципиальную роль окружающей среды. В случае атома, его обмен энергией с окружающей средой не размывает его уровни. А в случае кристаллика льда энергетических уровней очень много и они лежат настолько близко друг к другу, что кристаллик постоянно "размазан" по многим уровням неизбежными воздействиями окружающей среды. В общем случае, объект можно описывать классической физикой, если у него разница между соседними энергетическими уровнями намного меньше типичной энергии обмена с окружающей средой и квантовой физикой - если намного больше. Когда это величины одного порядка, как это имеет место, например, в случае транзистора в десятки нанометров, то вступает в игру физика наномасштабов (наномасштаб - это 1-100 нанометров). Понятно, что у нанообъектов обмен энергией с окружающей средой в каком-то смысле оптимален.

К наномасштабу можно подбираться от расстояний меньше нанометра (образно говоря, "со дна"). На "дне" - царство квантовой физики, различимы индивидуальные атомы и волны отдельных электронов; состояние системы в целом зависит от каждой отдельной частицы сильней, чем от случайных внешних воздействий. При увеличении размеров системы до десятков нанометров волны отдельных атомов "гасят" друг друга и атомы утрачивают индивидуальность. Влияние каждой отдельной частицы объекта становится меньше влияния флуктуаций окружающей среды. Так выглядит наномасштаб при подъёме "со дна".

Приближение к наномасштабу "сверху", от микронных расстояний, происходит по-другому. Поведение отдельных элементов микросхемы становится малопонятным (например, перестаёт работать закон Ома); возникает принципиально неустранимый "ток утечки", обусловленный туннельным эффектом; сопротивление начинает скачкообразно меняться при изменении толщины проводника и так далее. Квантовые эффекты делают невозможной дальнейшую миниатюризацию традиционными способами. Однако, в связи с изобретением туннельного микроскопа появилась надежда, что, орудуя "на дне", можно превратить непреодолимые ограничения в новые возможности - это и обусловило интерес к нанотехнологиям.

Order Viagra Professional Cialis Professional Ingestion Cialis Professional Side effects Cialis Professional Order Kamagra 100mg Oral Jelly UK Cheap Kamagra 100mg Oral Jelly Kamagra 100mg Oral Jelly How To Use Original Viagra Use Original Viagra Pills For Sale Generic Sildenafil 100mg Tablet Cheap Generic Viagra 100mg Cialis Original 5 Mg Original Cialis 20mg Buy Generic Cialis 20mg Generic Cialis Uk Suppliers
Viagra Bestellen Viagra kaufen viagra kaufen ohne rezept viagra frankreich Cialis 40mg Cialis bestellen Cialis 20mg Viagra Generika Kamagra 100mg Priligy Dapoxetin viagra apotheke Cialis ohne rezept viagra rezept cialis rezept Levitra kaufen Sildenafil kaufen Viagra preis Propecia