Наномир, в котором мы живем

При постепенном уменьшении размеров частиц и изделий вдруг наступает момент, когда металл фактически перестает быть металлом, даже ни с чем не реагируя. Что происходит с веществом на наноуровне и можно ли этим воспользоваться?

К последнему празднику мои дочки-студентки заказали «Фее» «что-нибудь маленькое цифровое». Получили - МР3-плеер и карманный DV-camcoder (простейшая цифровая видеокамера и веб-камера). При выборе подарков «Фея» руководствовался принципом флэш-карт-совместимости всех изделий с уже имеющимся цифровым фотоаппаратом, КПК и SD-слотом ноутбука. И тут же вопрос гуманитарных девушек: «А почему карточки памяти только на четверть и на пол-гига? Ведь мы видели уже на четыре!»

Но так и было задумано - не спешить с размером носителей памяти.

Во-первых, при выборе музыки для карты на 256 Мб даже в сжатом МР3-формате хозяйке плеера оказалось совершенно необходимым накачать в компьютер около 10 Гб «только самых лучших» звуковых файлов (мелодиями можно назвать далеко не все из них). А сколько памяти жесткого диска заполнено за две недели, «потому что это в процессе видеомонтажа» - лучше не вспоминать.

Во вторых, все носители памяти дешевеют на глазах. В середине 2004 года самая емкая доступная флэш-USB-карта на 512 Мб стоила в розницу $75-80, а сейчас - $35-40. SD-карта на 512 Мб в середине 2004 г была доступна за $95-100, сейчас она стоит $30-35.

Полезно попробовать представить, что такое эти самые гигабайты (Гб) и мегабайты (Мб). 1 Гб (1024 Мб) - это примерно 500 тысяч страниц текста (по 2000 печатных знаков на странице), или условная стопка книг высотой 25 м (100 страниц имеют среднюю толщину около 1 см). Даже если это книги с иллюстрациями, потребляющими большой объем цифровой памяти, то из 1 Гб получается книжная «стопка» высотой 1-5 метров. А стандартная SD-карта - тонкая пластинка размером 24х32 мм. И сейчас везде продаются карты того же стандартного размера емкостью по 4 Гб (емкость DVD-диска).

В самое ближайшее время емкость карт памяти возрастет в 2-4 раза при заметном снижении их стоимости - грядет переход от микротранзисторов к нанопереключателям. Лично для меня этот шаг в эволюции электроники является самой наглядной иллюстрацией перехода наших технологий из микромира в наномир.

Попробуем разобраться на примере электроники, почему переход от микроуровня (одна миллионная метра или одна тысячная миллиметра) на наноуровень (одна миллиардная метра или одна миллионная миллиметра) оказался уже не количественным, а качественным.

Те, кто успел получить остатки «избыточного» советского фундаментального школьного образования, еще помнят общие свойства металлов - высокая электро- и теплопроводность, блеск, ковкость и пластичность. Например, удельная электропроводность медной проволоки (т.е. электропроводность на единицу площади поперечного сечения) будет одной и той же у проволоки толщиной 1 мм, 0,01 мм и 0,001 мм - т.е. вплоть до микронного размера принципиальных изменений происходить не будет. А если мы попробуем сделать медную проволоку, вернее токопроводящую дорожку на изолирующей подложке толщиной в 10 атомов меди или примерно 1,3 нанометра (1,3 миллиардных доли метра)?

Самые отработанные технологические ухищрения не помогут - сплошная медная дорожка быстро превратится в набор «кластеров с закрытыми электронными оболочками» - устойчивых частиц из 8, 18, 20 атомов меди.

Эти частицы не желают иметь общие электроны и потому на их основе не получится ни электро-, ни теплопроводности, характерной для меди.

Таким образом, при постепенном уменьшении размеров частиц и изделий вдруг наступает момент, когда металл фактически перестает быть металлом, даже ни с чем не реагируя. Но и химическое поведение для частиц из десятков и сотен атомов отличается от «кусков» из тысяч и миллионов атомов. И так с каждым химическим элементом и каждым соединением. Для применения в электронике нужно знать и вычислять параметры будущих изделий с высокой точностью, а эти самые параметры вдруг оказываются совершенно другими и к тому же изменяющимися по своим законам -

упомянутые частицы меди из 8, 18, 20 атомов имеют разные электрофизические свойства.

В итоге примерно на уровне размера в 10 нанометров была обнаружена фундаментальная граница, при переходе которой к меньшим размерам мир заметно меняется, и свойства веществ надо фактически изучать заново.

Ставшая сейчас классической фототехнология производства микросхем достигла высочайшего уровня - в 1978 г процессоры первых персональных компьютеров содержали до 30 тысяч условных транзисторов, а в «камне» Пентиума-4 (2000 г.) их уже 42 миллиона. Размеры элементов микросхем уменьшились от 1 микрона в 1988 году до 0,18 микрона или 180 нанометров в 2001 году. Технологический прорыв, позволивший в 2005 году начать серийное производство SD-карточек с емкостью DVD-диска в 4 гигабайта, произошел при переходе к размеру элементов в 70 нанометров. Но этот размер стал фактически нижним пределом развития классических технологий, основанных на процессах фотолитографии и вакуумного нанесения пленок.

Следующим шагом будут чистые нанотехнологии, основанные уже не на постепенном уменьшении элементов устройств (дроблении вещества с «классической» структурой), а на создании (выращивании) таких элементов, получении готовых упорядоченных структур нужного размера в нужном месте. При таком подходе упомянутое самопроизвольное структурирование атомов меди и других металлов в малые группы (кластеры) становится не мешающим барьером, а основой построения наноструктур, в которых вновь открываемые свойства вещества малых размеров используются максимально эффективно.