Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

• Название: Нанонауки. Невидимая революция
• Автор: Кристиан Жоаким
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Научпоп
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-389-00631-7

Кристиан Жоаким — один из известнейших специалистов по физике твердого тела, директор Центра структурных исследований и разработки новых материалов (CEMES) в Тулузе. Ответственный руководитель группы Nanosciences. Вместе с журналисткой Лоранс Плевер он рассказывает о том, что такое наномир, как выглядят его обитатели, чем отличаются нанонауки от нанотехнологий и что они сулят человечеству в ближайшем будущем.

---

Зато Форреста Картера поддержали отдельные калифорнийские биотехнологи, в том числе Кевин Алмер из компании Genex: эти специалисты взялись так запрограммировать генетически бактерии, чтобы те производили не просто белки, но — сразу же и без необходимости каких-то переделок — требующиеся молекулярные электронные структуры. Французские предприятия Roussel-Uclaf и Elf Aquitaine, а с ними и Институт Пастера, поспешили поставить на эту же лошадь. Бойкие французы направили своих посланцев на организованный Форрестом Картером первый Конгресс по молекулярной электронике, куда в числе эмиссаров французской науки попал и Жоэль де Роне, бывший тогда директором по прикладным исследованиям в Институте Пастера[17]. Собравшиеся, однако, обнаружили, что дело, за которое они вроде бы не прочь взяться, какое-то непонятное и ненадежное. Ну да, хорошо бы молекулу подключать через провода, которые свяжут ее с макроскопическим миром и по которым будет осуществляться информационный обмен, но непонятно, как это сделать, — задачка кажется нерешаемой. А вот Ари Авирам в конце 1980-х ухватился за эту мысль о молекуле-схеме и попытался двинуться в этом новом направлении, открывшемся в молекулярной электронике.

Тогда в том же направлении заработала и мысль Эрика Дрекслера, задумавшегося о построении сложных механических машин-молекул, которые использовали бы, скажем, межмолекулярные или внутримолекулярные сцепления. Он придумал несколько вариантов вычислительного процессора, объединяющего в себе достижения молекулярного моделирования. Но на этом этапе монументализация происходила без участия химиков, а машины-молекулы оставались виртуальными, то есть нематериальными. Лишь много позже, с изобретением туннельного микроскопа (а он, напомним, умеет манипулировать молекулами), химики получили возможность так обрабатывать молекулы, чтобы они превращались в процессоры. И, дабы найти пути к чаемому синтезу и наделить его плотью, оставалось лишь упрощать и избавляться от сложностей.

ЯВЛЕНИЕ МОЛЕКУЛ-МАШИН

Раз уж появились идеи о монументальных молекулах и о молекулах-машинах, а затем и теоретические разработки «виртуальных» молекул-приборов и молекул-установок, то, надо думать, вскоре должны были появиться и первые молекулы-установки «во плоти». Пока что речь не шла о процессоре для компьютера, но эти молекулы-приборы уже умели выполнять кое-какие измерения в «мире внизу». Давайте для начала откроем учебник по физике середины XX века. Там мы найдем немало приборов, придуманных для изучения еще недостаточно исследованных физических явлений. Вот, к примеру, прибор, замеряющий, как меняется проводимость полупроводника или его способность усиливать электрический сигнал в зависимости от температуры, а сам этот прибор сделан из вживленного в поверхность полупроводника кусочка оргстекла с металлизированной поверхностью — то есть, в сущности, это транзистор. А раз уж нанотехнология переворачивает вверх ногами весь порядок производства, то, значит, есть шанс создать нечто новое, где все монтажные точки и узелки будут заменены одиночными молекулами и каждая такая молекула станет и оборудованием, которое используется в эксперименте, и объектом, изучаемым в этом эксперименте.

ПРОВОД…

Первой молекулой-установкой, созданной для физического опыта, стал молекулярный провод — цепочка молекул с четырьмя молекулярными лапками. Придумали этот проводник в 1997 году я и Андре Гурдон из Центра структурных исследований и разработки материалов (CEMES). Своему детищу мы дали имя Lander, Приземляющийся, — потому что думали о маленьком роботе Sojourner, которого как раз в то лето НАСА отправило на космическом зонде Mars Pathfinder на Марс. Андре занялся синтезированием молекул чуть позже посадки зонда на Марс.

В своем эксперименте мы хотели измерить электропроводность молекулярного проводника. А четыре ножки, которые мы приделали к этому проводку, приподнимали его над металлической поверхностью, чтобы не возникали токи утечки. Да и игле туннельного микроскопа легче перемещать этот проводок на лапках по ровной металлической поверхности. Зато стало куда труднее установить электрический контакт с обоими кончиками проводка. Ничего не поделаешь, трудности бывают всегда — не одно, так другое. Чтобы обойти это препятствие, мы решили воспользоваться неким свойством процесса обработки металлических поверхностей: дело в том, что по ходу подготовки металлической поверхности фазы прокаливания чередуются с фазами протравливания, и в итоге получаются большие и ровные, но ступенчатые плоскости. Если подобрать температуру обработки, то можно получить площадку, кончающуюся уступом высотой в один слой атомов (то есть высотой в один атом). Обнаружение такой ступеньки с помощью туннельного микроскопа труда не составит. А если мы отыщем такую тонюсенькую ступеньку, то, наверное, удастся, манипулируя иглой микроскопа, расположить молекулярный проводок поперек этой ступеньки, а потом, понемногу толкая проводок, добиться, чтобы его кончик оказался над ступенькой. Напомним, что проводник — на лапках и потому не прикасается к поверхности. Но кончик над ступенькой изгибается и, следовательно, взаимодействует с нею. То есть один электрический контакт — проводника с металлической поверхностью — есть. Второй контакт возникает между вторым концом проводка и иглой туннельного микроскопа — если ее кончик установить точно над кончиком провода.

В этом опыте металлическая поверхность служила лабораторным столиком, а молекула — экспериментальной установкой, позволяющей так расположить молекулярный проводок, чтобы можно было замерить его сопротивление, тогда как игла микроскопа продолжала руку физика-экспериментатора. Первым сумел переместить наш Lander Джим Гимжевски в 1998 году, в своей лаборатории IBM под Цюрихом. Он смог передвинуть проводник, как и предлагалось, на ступеньку и замерить электрическое сопротивление контакта между ступенькой и кончиком молекулярного проводка. Сопротивление оказалось слишком высоким, чтобы ток надежно протекал по проводку. Иначе говоря — контакт скверный, и это из-за ножек: уж очень они высокие, и потому проводок оказывается излишне приподнятым над поверхностью. И из-за этого близ кончика провода происходят ненужные химические реакции, затрудняющие надежный обмен электронами. Изменив химический состав контакта, мы смогли уменьшить его сопротивление раз в десять. Еще сильнее оно уменьшилось, когда мы укоротили ножки проводка, а затем мы постарались получше наладить контакт со вторым концом провода — чтобы измерить сопротивление как можно точнее.

А потом мы придумали молекулу-прибор посложнее. Речь идет о молекуле, которая стала амперметром, то есть прибором, способным замерить силу тока, протекающего, для примера, через молекулярный проводок. Молекулу эту надо подключить к металлическому электроду — для каждой из двух концов молекулы, следовательно, понадобится свой электрод. Принцип таков: электрический ток протекает по главной ветви, достаточно длинной, чтобы в нее можно было вставить маленькое химическое соединение, способное вращаться, — ротор. Когда электрон проходит через молекулу, перемещаясь от электрода на одном конце молекулы к электроду второго ее конца, то внутри молекулярного проводника рассеивается некоторое, пусть очень малое, количество энергии. Этой энергии, однако, хватает на нагрев химического ротора, который под воздействием тепла поворачивается. Угол поворота удается замерить, если поместить еще один — третий — электрод сбоку от ротора. А зная угол, на который повернулся ротор, экспериментатор может оценить силу тока, протекающего через главную ветвь цепи, то есть через молекулу-провод.

У молекулы-амперметра тоже должны быть ножки или лапки — чтобы она немного приподнималась над поверхностью: ведь если амперметр «ляжет брюхом» на металлическую плоскость, то химический ротор просто не сможет поворачиваться. А еще нужны три электрода, три электрических контакта. Лучше всего было бы изготовить с атомной точностью пару металлических контактов на твердой поверхности и сбросить на них молекулу, которая замкнула бы эти контакты (третий контакт можно было бы организовать через иглу микроскопа); однако такой технологии пока нет. Ее, конечно, пытаются разработать и, понятно, раньше или позже она появится, и скорее раньше, чем позже, — хотя бы потому, что без нее невозможно создать «вычисляющую молекулу», то есть молекулу, умеющую складывать два числа или вычитать одно число из другого; впрочем, об этом — чуть позже.

Первый транзистор, изобретенный в конце 1940-х годов, убедительно показал, что твердотельный прибор способен усиливать электрический ток. Пятьдесят лет спустя труды таких первопроходцев, как Ари Авирам и Марк Ратнер, поставили вопрос о возможности такого явления, как молекулярная электроника. Ответ представлялся очевидным: если окажется, что одиночная молекула тоже может усиливать ток, есть смысл работать над созданием молекулярной электроники. Поэтому заинтересованные исследователи принялись изучать возможности молекулярных структур, которые вроде бы обещали какое-то решение возникшей задачи. В 1997 году мы с Джимом Гимжевски показали одиночную молекулу, усиливающую электрический сигнал. Это, конечно, не привело к свержению микроэлектроники с ее престола, но стало, по крайней мере для нас, заметным и значительным шагом вперед.