Миниатюризация путем выпаривания

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 15Следующая ⇒

Как можно сделать такое устройство? Какой процесс изготовления использовать? Одной из возможностей записи с помощью определенного выстраивания атомов могло бы стать выпаривание материала и следующего за ним изоляционного слоя. В следующем пласте выпариваем другое место провода, другой изоляционный слой и так далее. То есть вы просто выпариваете до тех пор, пока не останется блок материала, который имеет элементы — катушки, конденсаторы и прочее, причем исключительно тонких размеров.

Но я хотел бы развлечь вас и обсудить, что существуют и другие возможности. Почему бы не делать маленькие компьютеры подобно тому, как делают большие? Почему бы не сверлить отверстия, разрезать, паять, штамповать, формовать различные детали — все на исключительно малом уровне? Каковы ограничения на малый размер детали, когда вы не сможете ее больше формовать? Сколько раз, пытаясь починить что-нибудь безнадежно миниатюрное вроде наручных часиков вашей жены, вы говорили себе: «Проще натаскать блоху для этой работы! » Предлагаю для такой работы натаскать блоху, чтобы она натаскала малютку-клеща. Существует ли возможность сделать маленькие, но подвижные машины? Они могут быть полезными или бесполезными, но их изготовление, безусловно, выглядит забавно.

Рассмотрим любую машину, например автомобиль, и зададимся вопросом о проблеме изготовления аналогичной крошечной машинки. Предположим, что в конкретном дизайне автомобиля нам нужна определенная точность деталей, скажем, нам нужна точность 4/10000 дюйма. Если детали не требуют большой точности, например, для цилиндра и тому подобных простых форм, работать с ними одно удовольствие. Но если я делаю слишком маленькую вещь, меня должны заботить атомные размеры; я не могу составить круг из «мячиков», если круг слишком мал. Если я допущу ошибку, соответствующую 4/10000 Дюйма, что соответствует ошибке в 10 атомов, выходит, я смогу уменьшить размеры автомобиля в 4000 раз, приблизительно до 1 мм в поперечнике. Очевидно, что если вы переконструируете автомобиль так, чтобы он работал со значительно большими допусками — что не так уж невозможно, — то сможете сделать устройство гораздо меньшего размера.

Интересно понять, какие особенности связаны с такими маленькими машинками. Во-первых, детали испытывают примерно одинаковые напряжения, силы эффективно проходят в области, которые вы уменьшаете, так что веси силы инерции относительно не важны. Иначе говоря, сопротивление материала становится гораздо больше, пропорционально уменьшению масштаба. Например, напряжение и растяжение махового колеса от центробежной силы будут одинаково пропорциональны уменьшению размера, если только скорость вращения возрастает в той же пропорции. С другой стороны, металлы, которые мы используем, имеют зернистую структуру; это особенно усложняет ситуацию на малых расстояниях из-за неоднородности материала. Пластик, стекло и другие материалы, имеющие аморфную природу, значительно более однородны, так что следует строить наши машинки из этих материалов.

Существуют проблемы, связанные с электрической частью системы — с медными проводами и магнитными деталями. Магнитные свойства на очень малых масштабах не такие, как на больших: на малых размерах затрагивается образование доменов. Большой магнит состоит из миллионов доменов, на малых масштабах магнит может включать только один домен. Электрическое оборудование не просто уменьшается до определенного масштаба; его необходимо переконструировать. Я не вижу никаких препятствий к тому, чтобы его переконструировать и заставить работать.

Проблемы со смазкой

Смазка обладает некоторыми интересными особенностями. Эффективная вязкость масел будет повышаться пропорционально уменьшению размера (если увеличить скорость до максимально возможного значения). Если мы не слишком сильно увеличим скорость и заменим масло керосином или некоторой другой жидкостью, проблема перестанет быть безнадежной. На самом деле мы можем и вовсе отказаться от смазки! У нас много дополнительных сил. Пусть подшипники работают сухими; они не нагреваются в процессе работы, поскольку из такого маленького устройства тепло уходит очень-очень быстро. Такая быстрая потеря тепла будет препятствовать взрыву бензина, поэтому невозможно внутреннее возгорание машины. При охлаждении можно использовать другие химические реакции, идущие с высвобождением энергии. Внешняя подача электроэнергии будет, вероятно, более удобной для таких маленьких машинок.

В чем состоит практическая польза таких машин? Кто знает? Конечно, маленький автомобильчик был бы полезен для миниатюрных существ, например, клещей — но я полагаю, что наше христианское милосердие не простирается столь далеко. Однако можно отметить возможность изготовления миниатюрных элементов для компьютеров на полностью автоматизированных фабриках с токарными станками и другими приборами, предназначенными для изготовления малых форм. Маленький токарный станок не может точно соответствовать такому же большому. Апеллирую к вашему воображению — найдите усовершенствования в дизайне, позволяющие получить преимущества для создания вещей малого масштаба, причем полностью автоматизированный процесс лучше всего отвечает управлению производством такого уровня.

Мой друг Альберт Р. Хиббс[21]предлагает очень интересную возможность применения приборов относительно малого масштаба. Он утверждает, что, хотя это и дикая идея, интересно было бы попробовать аппараты малых размеров в хирургии, если вы готовы проглотить хирурга. Вы помещаете механического хирурга в кровеносный сосуд, он проходит прямо в сердце и «осматривается» вокруг. (Информация должна отслеживаться.) Он обнаруживает, какой клапан поврежден, берет маленький нож и надрезает его. Другие маленькие машинки можно перманентно встраивать в тело человека, чтобы помочь правильно функционирующему органу.

Возникает интересный вопрос: как сделать такой крошечный механизм? Я оставляю его вам для размышлений. Тем не менее позвольте предложить одну фантастическую возможность. Материалами и механизмами на атомных энергетических установках нельзя управлять непосредственно, поскольку они радиоактивны. Чтобы откручивать гайки, вставлять болты и выполнять другие действия, там используется система ведущих и ведомых управляемых механических «рук-манипуляторов». Оперируя набором рычагов в безопасном месте, вы управляете «руками» в радиоактивной зоне, можете поворачивать их в нужном направлении и, таким образом, весьма точно контролировать операции.

Большая часть этих механизмов устроена достаточно просто — отдельный кабель, как веревочка для марионеток, проходит прямо от управляющего пульта к «рукам». Там используются также дистанционно управляемые следящие электромоторы, поэтому соединение между обеими зонами не механическое, а электрическое. При повороте рычагов вращается мотор, он меняет электрические токи в проводах, на другом конце «рука» меняет позицию.

Допустим, я хочу построить очень похожее устройство — ведущую-ведомую систему, работающую на электричестве. Я хочу, чтобы ведомые устройства были выполнены особенно тщательно современными конструкторами крупномасштабных устройств; и пусть ведомая система составляет одну четвертую масштаба «рук», которыми обычно маневрируют. У вас есть проект, с помощью которого можно делать устройства в масштабе один к четырем — маленькие дистанционные электромоторы с маленькими «руками», оперирующими маленькими гайками и болтами; они сверлят маленькие отверстия — и они в четыре раза меньше! Ага! Я построил токарный станок в четыре раза меньше, я построил всякие дополнительные средства в четыре раза меньше, и я сделал в том же уменьшенном масштабе набор «рук»! С моей точки зрения — это 1/16 размера. А потом я провел провода прямо от моей крупномасштабной системы, наверное, через трансформатор, к электромоторчикам с размером 1/16. То есть теперь я могу манипулировать «руками» с размером, уменьшенным в 16 раз.

В принципе мы добились некоторых успехов. Это весьма трудная программа — но это возможно. Вы можете возразить, что мы продвинулись бы значительно дальше одним махом, а не уменьшая масштаб от одного до четырех. Конечно, все должно быть сконструировано очень тщательно, не нужно делать эти устройства похожими на «руки». Если вы тщательно продумали устройство, возможно, вы сумеете построить значительно лучшую систему манипулирования.

Если вы работаете через пантограф, можно получить фактор гораздо больше четырех даже за один этап. Из-за неточности отверстий и нерегулярностей конструкции нельзя работать прямо через пантограф, создавая пантографы все меньшего размера. Конец пантографа покачивается с относительно большей нерегулярностью, чем нерегулярность, с которой вы передвигаете «руки». Уменьшая масштаб, я бы обнаружил, что конец пантографа так сильно дрожит, что уже не может выполнять свои функции.

На каждой стадии необходимо улучшать точность аппаратуры. Если, например, сделать маленький токарный станок с пантографом, то его подающий винт будет двигаться нерегулярно. Мы могли бы завинтить подающий винт разрывными гайками, чтобы можно было обычным образом поворачивать винт вперед и назад в своем масштабе так же точно, как в случае обычного масштаба.

Можно изготовить плоские поверхности, шлифуя совместно три неплоские поверхности — по три пары, — и поверхности станут более плоскими, чем вначале. Таким образом, не так уж невозможно улучшить точность на малых масштабах. Когда мы создадим подобное устройство, необходимо на каждом этапе улучшать точность временно работающего оборудования, получая точные подающие винты, проверочные плиты и все прочие материалы, которые используются для правильной работы машин на высоком уровне. Следует останавливаться на каждом уровне и проверять точность работы всей аппаратуры, прежде чем перейти к следующему уровню — очень длинная и очень сложная программа. Возможно, вы найдете более оптимальный и быстрый способ перехода к малым масштабам.

В заключение вы получите крошечный токарный станок-малютку в четыре тысячи раз меньше обычного. Но мы задумали создать огромный компьютер, а сверлим на крошечном токарном станке отверстия, чтобы создать для этого компьютера маленькие шайбы. Прикиньте, сколько таких шайб можно создать на одном крошечном станке?

Сто крошечных рук

Когда я создавал первый набор ведомых «рук» в масштабе один к четырем, я собирался сделать десять наборов. Я сделал десять наборов и соединил их проводами с первоначальными рычагами, и каждая из «рук» будет теперь выполнять параллельно точно такие же действия за одинаковое время. Теперь, когда я строю новые устройства в малом масштабе один к четырем, я изготавливаю каждую деталь в десяти копиях, то есть у меня будет в наличии сто «рук» с размером 1/16.

Где мне разместить миллион токарных станков? При этом мой объем много меньше, чем требуется даже для одного полномасштабного станка. Например, если я сделаю миллиард маленьких станков, каждый в масштабе 1/4000 от масштаба обычного станка, на который уйдет масса материалов и пространства, то на миллиард маленьких станков уйдет менее 2 % от материалов, требуемых для одного большого станка. Видите, затраты уменьшаются многократно. Теперь я хочу построить миллиард похожих крошечных фабрик, которые работают одновременно, сверлят отверстия, штампуют детали и прочее.

По мере уменьшения размера возникает ряд интересных проблем. Все детали не просто уменьшаются в размере пропорционально. Существует вероятность того, что материалы будут прилипать друг к другу благодаря молекулярному притяжению (Ван-дер-Ваальс[22]). На практике это выглядит следующим образом: после того как вы сделали маленькую деталь и вывинтили гайку из болта, она не падает вниз, поскольку здесь несущественна гравитация; деталь трудно отделить от болта. Это напоминает движения человека с руками, испачканными патокой, пытающегося избавиться от стакана воды. Возникнут определенные проблемы такого характера, к которым следует быть готовыми при конструировании.

Перегруппировка атомов

Теперь я отважусь рассмотреть заключительный вопрос, самый важный для будущего — можем ли мы располагать атомы по своему усмотрению — именно атомы — всеми допустимыми способами? Что произойдет, если мы расположим атомы один за другим каким угодно способом (в пределах разумного, конечно; нельзя расположить их так, чтобы они были химически нестабильными)?

До сих пор мы удовлетворялись тем, что копали землю в поисках минералов. Мы их нагревали, производили всякие крупномасштабные операции, мы надеялись получить чистую субстанцию методами очистки и тому подобными действиями. Но мы всегда принимали то расположение атомов, которое нам дала природа. Мы не получали, скажем, расположения в виде «шахматной доски», с примесными атомами, расположенными точно на расстоянии 1000 ангстрем, или какого-либо другого рисунка.

Что нам делать со слоистыми структурами с правильно расположенными слоями? Каковы будут свойства материалов, если расположить атомы в том порядке, который нам нужен? Это исключительно интересно исследовать теоретически. Я не смогу увидеть точно, что произойдет, но я почти не сомневаюсь, что, научившись контролировать расположение предметов в малых масштабах, мы получаем огромное количество возможных свойств материи и огромное разнообразие вариантов конструирования.

Рассмотрим, например, кусок материала, в котором мы построили схемы размером 1000 или 10 000 ангстрем с маленькими индуктивными катушками и конденсаторами (или их твердотельными аналогами), расположили схемы одну за другой в большой области, поместив маленькие антенны у другого конца — целая серия схем. Например, пусть набор антенн излучает свет, как излучаются радиоволны от упорядоченной системы антенн, транслирующих радиопрограммы на Европу. То же будет происходить, если направить свет с очень высокой интенсивностью в определенном направлении. (Возможно, такой пучок не имеет особенной технической или экономической пользы.)

Я думал о некоторых проблемах создания электрических схем в малых масштабах — в них достаточно серьезной выглядит проблема сопротивления. Если построить соответствующую схему в малых масштабах, присущая ей частота увеличивается, так как с уменьшением масштаба уменьшится длина волны, однако глубина поверхностного слоя (скин-слоя) уменьшится только как корень квадратный из отношения масштабов, поэтому проблемы с сопротивлением резко возрастут. Возможно, мы сможем бороться с сопротивлением, используя сверхпроводимость, если частота не слишком велика, или найдем другие хитроумные способы.

Атомы в мире малого

Когда мы вторгаемся в мир очень-очень малого — пусть это будет цепочка из семи атомов, — у нас возникает масса новых явлений, которые предоставляют совершенно новые возможности для дизайна. Поведение атомов на малых масштабах не имеет ничего общего с их поведением на больших размерах, поскольку они подчиняются законам квантовой механики. Когда мы «спускаемся вниз» и «заигрываем» с атомами, мы работаем с другими законами и ждем иного поведения. Мы можем создавать вещи различными способами. Можно использовать не просто электрические контуры, но и системы, содержащие квантованные уровни энергии или взаимодействие квантово-механических спинов и тому подобное. Если мы продвинемся в уменьшении размеров достаточно далеко, обнаружим, что при серийном производстве все наши устройства становятся абсолютными копиями друг друга. Нельзя построить две совершенно одинаковые большие машины. Но если высота вашей машины составляет только 100 атомов, вам нужно построить ее лишь с точностью до 0, 5 %, чтобы убедиться, что другие машины точно того же размера — то есть 100 атомов в высоту!

На атомном уровне мы имеем дело с новыми видами сил, возможностей и эффектов. Проблемы создания и воспроизводства новых материалов будут совершенно другими. Как я уже говорил, меня воодушевляют биологические явления, в которых химические силы используются в повторяющейся форме для создания всех видов фантастических и непонятных эффектов, например человека (один из которых — автор этих строк). Принципы физики, насколько я их вижу, не противоречат возможности маневрирования положением — атом за атомом. Мы не пытаемся здесь нарушить какой-нибудь закон; такое расположение атомов принципиально возможно, но практически не осуществлено — мы, люди, слишком большие создания!

В конце концов, можно провести химический синтез. Химик приходит к нам и говорит: «Слушайте, я хочу создать молекулу, в которой атомы расположены так-то. Сделайте мне такую молекулу». Химик делает непостижимые вещи, когда хочет сделать такую-то молекулу. Он знает, что она должна иметь форму кольца, он начинает смешивать то и это, он ее встряхивает и совершает всякие манипуляции. И в конце трудоемкого процесса он обычно добивается успеха — синтезирует то, что нужно. Между тем я получаю работающие устройства — мы создали их физическими методами, а химик будет придумывать, как синтезировать абсолютно все, что угодно — фактически бесполезные вещи.

Однако интересно, что для физика принципиально возможно синтезировать любую химическую субстанцию, которую описывает химик (по крайней мере я так думаю). Задайте очередность — и физик синтезирует ее. Как? Разложите атомы там, где говорит химик, и вы получите субстанцию. Теперь вы могли бы спросить: «Кто это должен делать и зачем? » Да, указав несколько экономических приложений, я понимаю, что у вас может возникнуть причина для веселья. Так повеселитесь немного! Давайте устроим соревнование между лабораториями. Пусть одна лаборатория сделает крошечный мотор, который она передаст другой лаборатории, а та возвратит ее обратно с приспособлениями внутри вала первого мотора.

Конкурс высших школ

Отчасти для развлечения, а отчасти чтобы получить интересные устройства-малютки, пусть кто-нибудь, у кого есть контакт с высшими учебными заведениями, подумает о своего рода конкурсе между высшими школами. Мы даже не начали ничего предпринимать в этой области — крохотные вещи можно записывать еще более мелко, чем говорилось в этой лекции. Можно устроить конкурс между высшими школами. Высшие учебные заведения Лос-Анджелеса перешлют булавку в высшее учебное заведение Венеции, на которой написано: «Как это сделать? » Потом булавка возвратится назад и в точке над «i» будет написано: «Не так уж и трудно».

Возможно, это не побуждает вас к действию, и это сделать вас заставит только экономика. Я хотел бы предпринять что-либо в этом направлении, но не могу ничего сделать в настоящий момент, потому что почва не подготовлена. Предлагаю премию в 1000 долларов первому, кто информацию со страницы книги сможет перенести в область, уменьшенную в 25 000 раз в линейном масштабе, так чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа.

Хочу также предложить другую премию — если я смогу понять, как выразить все словами, так чтобы не произошло путаницы в аргументации относительно определений — еще 1000 долларов первому, кто сделает работающий электрический мотор — вращающийся электрический мотор, которым можно управлять извне, размером в 1/64 кубического дюйма, не считая проводов на вводе.

Не думаю, что эти премии будут очень долго ждать своих претендентов.

(В конце концов Фейнману пришлось выплатить обе премии. Это следует из обзора «Фейнман и вычислительные методики» под редакцией Энтони Хей (Perseus, Reading, MA, 1998), перепечатано с разрешения. — Примеч. ред.)

Он выплатил обе премии — первую премию менее чем через год Биллу Маклеллану, бывшему питомцу Калтеха, за миниатюрный мотор, который удовлетворял заданным спецификациям, но который вызвал разочарование Фейнмана — его конструкция не требовала новых технических достижений. Фейнман сделал обновленную версию своего доклада в 1983 году в Лаборатории реактивного движения. Он предсказал, «что с технологиями сегодняшнего дня мы сможем легко… конструировать моторы в одну сороковую размера в каждом направлении, то есть в 64 000 раза меньше, чем… Мы можем сделать за раз мотор Маклеллана и тысячи таких же».

И только почти через 26 лет он выплатил вторую премию аспиранту Стэнфорда Тому Нейману. Предлагаемый масштаб в задаче Фейнмана — записать 24 тома Британской энциклопедии на булавочной головке. Нейман вычислил, что каждая отдельная буква будет составлять по ширине около пятидесяти атомов. Когда его руководителя не было в городе, он использовал литографию электронным пучком и смог записать первую страницу книги Чарльза Диккенса «Повесть о двух городах» в уменьшенном масштабе 1 к 25 000. Статья Фейнмана часто считается началом эры нанотехнологий, и теперь существуют регулярные конкурсы, называемые «Премией Фейнмана по нанотехнологии».

Ценность науки

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒