Nanotechnologie

Oto moje spojrzenie na przysz│o╢µ pod k▒tem nanotechnologii.

Ikarowe loty?

Tranzystory zbudowane z kilku atom≤w, ca│y komputer wielko╢ci 10 nanometr≤w2. Przez najbli┐sze kilka lat jest to nie do wykonania przez fizyk≤w, jest to nawet trudne do wyobra┐enia dla nich. Lecz w 1965 roku fizyk noblista Richard Feynman - ojciec nanotechnologii - wyobra┐a│ to sobie i stwierdzi│ miΩdzy innymi, ┐e kiedy╢ bΩdzie trzeba budowaµ "druty" o grubo╢ci 1 (jednego) atomu. Ju┐ taki zbudowano. Co dalej?
Zatem za 15 lat nasz procesor mo┐e mieµ 10 nm, czyli oko│o 40 atom≤w. »eby "zewrzeµ" n≤┐ki o│≤wkiem trzeba bΩdzie nie lada wprawy i anielskiej cierpliwo╢ci. Ale bΩdzie to konieczne i mo┐liwe. Matka natura wykorzystuje nanowielko╢ci przecie┐ od zawsze. Nanomoleku│y cechuje specjalna pamiΩµ danych, kt≤ra przewy┐sza ka┐dy inny no╢nik - s▒ to geny. Pracuj▒ one jako np. enzymy tzn. funkcjonuj▒ tylko w ╢rodowisku wodnym. Dlatego organicznej nanotechnologii nie │atwo przenie╢µ na grunt techniki komputerowej - jak wiemy Volty i woda to nie najszczΩ╢liwsze po│▒czenie, wiΩc by m≤c budowaµ tranzystory na poziomie jednego atomu potrzebna bΩdzie zatem "sucha" technika ich produkcji.
Dzisiejsze metody produkcji podzespo│≤w s▒ u kresu swych mo┐liwo╢ci. Po prostu ╢wiat│o jest za d│ugie. Fala ╢wiat│a mie╢ci siΩ w granicach 380-780 nanometr≤w. Najwa┐niejsz▒ czΩ╢µ produkcji chipa komputerowego to litografia. Polega ona na na╢wietlaniu materia│u do produkcji np. procesor≤w. Kiedy poszczeg≤lne elementy bΩd▒ tak ma│e lub mniejsze ni┐ d│ugo╢µ fali ╢wiat│a to ich "granice" i ╢cie┐ki zaczn▒ siΩ rozmazywaµ i uk│ad bΩdzie nieprzydatny do niczego. A co gdy ca│y chip bΩdzie mia│ 10 nanometr≤w? Czasowo problem ten rozwi▒zuje u┐ycie promieni rentgenowskich lub, jeszcze dok│adniejszego, bombardowania elektronami.

NarzΩdzia

W 1986 roku Niemiec Gerd Binnig i Heinnrich Bohr otrzymali NagrodΩ Nobla za wynalezienie skaningowego mikroskopu tunelowego. To urz▒dzenie pozwala badaµ powierzchniΩ materia│≤w poszczeg≤lnych atom≤w. To by│ prawdziwy prze│om na drodze do nanotechnologii. Innym narzΩdziem pracy fizyk≤w jest akcelerator (nie ten "┐eby mi Quake szybciej chodzi│", zupe│nie inny, du┐o wiΩkszy i duuu┐o dro┐szy). úopatologicznie akceleratory s▒ u┐yteczne jako m│otki do rozkruszania cz▒stek energii. RozpΩdzone i na│adowane cz▒stki zderzaj▒ siΩ czo│owo. Do eksperymentu wykorzystywane s▒ tunele pr≤┐niowe. Niekt≤re odcinki tej cieniutkiej rury znajduj▒ siΩ pod ogromnym napiΩciem rzΩdu kilku milion≤w volt - s│u┐y to dodatkowemu rozpΩdzeniu cz▒stek. U┐ywaj▒c tuneli w kszta│cie ko│a mo┐na rozpΩdziµ je prawie do prΩdko╢ci ╢wiat│a. Badania w akceleratorach dostarczaj▒ z jednej strony informacji, jaka jest materia w skali nano, a z drugiej pozwalaj▒ siΩ zorientowaµ jakie warunki panowa│y we Wszech╢wiecie w u│amku sekundy po Wielkim Wybuchu. Takie eksperymenty mog▒ nasun▒µ fizykom nowe pomys│y, a tak┐e wyja╢niµ stare problemy.

O╢▒gniΩcia i mo┐liwo╢ci

W 1995 roku pracownicy IBM skonstruowali prze│▒cznik z pojedynczego atomu ksenonu. Funkcjonuje on jednak tylko w pr≤┐ni przy temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. P≤╝niej poszli oni o krok dalej - 48 atom≤w ┐elaza po│▒czonych w pier╢cieniowy │a±cuch o ╢rednicy (tych┐e pier╢cieni) 12 nm. By│o to kolejnym po fullerenach etapem na drodze do produkcji struktur atomowych. Nijaki doktor Lorenz twierdzi, ┐e wyizolowanie pojedynczych atom≤w da│oby mo┐liwo╢µ zapisu wszystkich ksi▒┐ek telefonicznych na 1 milimetrze2. Trwa│oby to jednak 30 tys. lat. WyodrΩbnione cz▒stki │▒czy│yby siΩ ze sob▒ (korzystaj▒c z tzw. samoorganizacji) w tzw. kropki kwantowe - obiekty o rozmiarach kilku nanometr≤w. Tak dalece posuniΩta miniaturyzacja mia│aby sw≤j minus - jakiekolwiek zak│≤cenie mia│oby katastrofalne skutki.
Dzisiejszy komputer by zapisaµ bit danych potrzebuje 10 tys. elektron≤w i kilka mniej czy wiΩcej nie robi▒ r≤┐nicy. Natomiast gdy ca│y no╢nik danych czy CPU ma 5 atom≤w to zachowanie ka┐dego z elektron≤w jest warunkiem funkcjonowania ca│ego uk│adu. PracΩ tych urz▒dze± mog│oby zak│≤ciµ nawet normalne promieniowanie kosmiczne. To mikroskopijne ╢rodowisko rz▒dzi siΩ w│asnymi prawami fizyki kwantowej. Rzecz w tym, ┐e cz▒stki mog▒ byµ jednocze╢nie w kilku miejscach. Potrafi▒ p│ynnie przeskakiwaµ (furelowaµ) przez lite ╢ciany. Cz▒stki te mog▒ r≤wnie┐ pobieraµ i oddawaµ energiΩ, jednak nie zawsze. ªcianki otaczaj▒ce elektronow▒ pamiΩµ musz▒ mieµ conajmniej 20 warstw atom≤w. W przeciwnym wypadku elektrony wycieka│yby wraz z danymi.

Reasumuj▒c: za ma│e siΩ "rozpada", wraz ze zbyt du┐ymi pojawiaj▒ siΩ problemy znane dzisiejszym projektantom chip≤w. Uspokaja nas stwierdzenie Feynmana, o braku teoretycznych barier, lecz istnieniu jedynie praktycznych, kt≤re da siΩ przezwyciΩ┐yµ.

Fizycy pracuj▒ teraz nad komputerem kwantowym, w kt≤rym zastosowano by zasady mechaniki kwantowej, ale to dopiero za oko│o p≤│ wieku. Nie mo┐emy podzieliµ w│osa na czworo, a co dopiero na 28 (zak│adaj▒c, ┐e w│os jest zbudowany z 4 atom≤w). Du┐y problem bΩd▒ mieli ci kt≤rzy bΩd▒ chcieli oprogramowaµ takie komputery. Jeste╢my w stanie ustawiµ atomy, ale wprawienie elektron≤w w kontrolowany ruch mo┐e okazaµ siΩ syzyfow▒ prac▒.

Wszelkie uwagi, pytania, komentarze i ewentualne poprawki proszΩ kierowaµ pod adres: exister@poland.com.

Witold "eXister" Zag≤rski