Річард Фейнман – пророк нанотехнологічної революції

Літаки, ракети, телевізори та комп'ютери змінили навколишній світ у 20 столітті. Вчені стверджують, що в 21-му столітті стрижнем нової технічної революції стануть матеріали, ліки, пристрої, засоби зв'язку і доставки, зроблені з використанням нанотехнологій. Ідея про те, що цілком можливо збирати пристрої та працювати з об'єктами, які мають нанорозміри, була вперше висловлена у виступі промови лауреата Нобелівської премії Річарда Фейнмана у 1959 році у Каліфорнійському технологічному інституті ("Там, внизу, повно місця!"). Слово «внизу» у назві лекції означало у «світі дуже малих розмірів». Тоді Фейнман сказав, що колись, наприклад, у 2000 р., люди будуть дивуватися з того, що до 1960 р. ніхто не ставився серйозно до досліджень наноміру. За словами Фейнмана людина дуже довго жила, не помічаючи, що поряд з нею живе цілий світ об'єктів, розглянути які вона не в змозі. Ну а якщо ми не бачимо ці об'єкти, то ми не можемо і працювати з ними.

Тим не менш, ми самі складаємося з пристроїв, які чудово навчилися працювати з нанооб'єктами. Це наші клітини – цеглинки, з яких складається наш організм. Клітина все життя працює з нанооб'єктами, збираючи з різних атомів молекули складних речовин. Зібравши ці молекули, клітина розміщує в різних частинах – одні опиняються у ядрі, інші – в цитоплазмі, а треті – в мембрані. Уявіть собі можливості, які відкриваються перед людством, якщо воно опанує такі ж нанотехнології, якими вже володіє кожна клітина людини.

Фейнман так визначає наслідки нанотехнологічної революції для комп'ютерів. «Якщо, наприклад, діаметр сполучних проводів становитиме від 10 до 100 атомів, то розмірбудь-якої схеми не перевищуватиме кількох тисяч ангстрем. Кожен, хто пов'язаний з комп'ютерною технікою, знає про ті можливості, які обіцяє її розвиток та ускладнення. Якщо кількість елементів, що використовуються, зросте в мільйони разів, то можливості комп'ютерів істотно розширяться. Вони навчаться міркувати, аналізувати досвід і розраховувати власні дії, знаходити нові обчислювальні методи тощо. Зростання числа елементів призведе до важливих якісних змін характеристик ЕОМ.»

Покликавши вчених у наномир, Фейнман відразу ж попереджає про ті перешкоди, які на них чекають, на прикладі виготовлення мікроавтомобіля довжиною всього 1 мм. Так як деталі звичайного автомобіля зроблені з точністю 10 -5 м, деталі мікроавтомобіля слід виготовляти з точністю в 4000 разів вище, тобто. 2,5. 10 -9 м. Таким чином, розміри деталей мікроавтомобіля повинні відповідати розрахунковим з точністю ± 10 шарів атомів.

Наномир не тільки сповнений перешкод та проблем. Нас у наносвіті чекають і хороші новини – всі деталі наноміру виявляються дуже міцними. Відбувається це через те, що маса нанооб'єктів зменшується пропорційно до третього ступеня їх розмірів, а площа їх поперечного перерізу – пропорційно до другого ступеня. Значить, механічне навантаження на кожен елемент об'єкта - відношення ваги елемента до площі поперечного перерізу - зменшується пропорційно розмірам об'єкта. Таким чином, пропорційно зменшений наностол має в мільярд разів товстіші наноніжки, ніж це необхідно.

Фейнман вважав, що людина зможе легко освоїти наномир, якщо створить машину-робота, здатного робити зменшену, але працездатну копію себе. Нехай, наприклад, ми навчилися робити робот, який може без нашої участі створювати своюзменшену у 4 рази копію. Тоді цей маленький робот зможе зробити копію початкового , зменшену вже у 16 разів і т.д. Очевидно, що 10-е покоління таких роботів будуть створювати роботи, розміри яких будуть у мільйони разів менші за початкові (див. рис.1).

Малюнок 1. Ілюстрація концепції Р. Фейнмана, який пропонував, щоб роботи навчилися самостійно робити свої зменшені копії. Тоді людство завоює наномир. Взято з , 2001, Sept, p. 84.

Звичайно, у міру зменшення розмірів ми постійно стикатимемося з дуже незвичайними фізичними явищами. Незначна вага деталей наноробота призведе до того, що вони будуть прилипати один одному під дією сил міжмолекулярної взаємодії, і, наприклад, гайка не буде відокремлюватися від болта після відкручування. Проте відомі нам закони фізики не забороняють створювати об'єкти атом за атомом. Маніпуляція атомами, у принципі, цілком реальна і порушує жодних законів природи. Практичні ж труднощі її реалізації зумовлені лише тим, що ми є занадто великими і громіздкими об'єктами, унаслідок чого нам складно здійснювати такі маніпуляції.

Щоб якось стимулювати створення мікрооб'єктів, Фейнман обіцяв заплатити 1000 доларів тому, хто збудує електромоторчик розміром 1/64 дюйми (1 дюйм» 2,5 см). І незабаром такий мікромоторчик був створений (див. рис.2). З 1993 року премія імені Фейнмана присуджується щорічно за визначні досягнення у галузі нанотехнологій.

Рисунок 2. Річард Фейнман передбачив появу нанотехнологій ще в 1959 році, виступаючи з лекцією "Там, внизу, повно місця!" у Каліфорнійському технологічному інституті. На фото зліва Р. Фейнман розглядає за допомогою мікроскопа зроблений мікромотор, розміром380 мкм, показаний на малюнку праворуч. Вгорі на малюнку праворуч показано голівку шпильки. Взято з фотоархіву Каліфорнійського технологічного інституту http://physicsweb.org/articles/world/14/2/8/1/pw1402081

У своїй лекції Фейнман говорив і про перспективи нанохімії. Зараз хіміки використовують для синтезу нових речовин складні та різноманітні прийоми. Як тільки фізики створять пристрої, здатні оперувати окремими атомами, багато методів традиційного хімічного синтезу можуть замінити прийомами «атомного складання». При цьому, як вважав Фейнман, фізики, в принципі, справді можуть навчитися синтезувати будь-яку речовину, виходячи із записаної хімічної формули. Хіміки замовлятимуть синтез, а фізики просто «укладатимуть» атоми в запропонованому порядку. Розвиток техніки маніпуляції на атомарному рівні дозволить вирішити багато проблем хімії та біології.

Слайди моєї лекції з НАНОТЕХНОЛОГІЙ - "Розмір має значення!" у форматі Power Point (3 Мб) див. Мою науково-популярну статтю - "Загадки одновимірного більярду" див. тут.