Чтение онлайн

Прежде чем начинать подобную «монументализацию», следовало бы выяснить: а сколько атомов понадобится, чтобы молекула смогла работать как двигатель, или как приемо-передатчик, или как вычислительная машина? А потом понять, какие «части» понадобятся этой молекуле-машине — чтобы не разваливалась и работала, то есть выполняла порученные ей задачи. И наконец придумать для нее такие технические средства, чтобы она могла получать приказы и/или сообщать о своем состоянии, принимать или передавать энергию, словом, чтобы наладить обмен информацией с машиной-молекулой.

Мысль о монументализации возникла в начале 1980-х годов — именно тогда эту идею высказал Форрест Картер, химик из NRL(Исследовательской лаборатории военно-морского флота). Он работал с токопроводящими полимерами, выстраивая внутри объема полимера длинные молекулы и в таком порядке, чтобы получались пластмассы, проводящие электричество. Изучая подобные длинные молекулы, Форрест Картер вспоминал про ту молекулярную электронику, о которой мечтал Ари Авирам. Идеи о сведении любого компонента электронной схемы к одной-единственной молекуле казались необыкновенно заманчивыми — это помогло бы пробить стену вроде той, в которую уткнулась транзисторная электроника со всеми ее технологиями в конце 1950-х годов. В те времена электронные схемы собирались покомпонентно, деталь за деталью, и вообразить, что в один прекрасный день удастся единым махом соединить миллионы деталей, необходимых для создания процессора вычислительной машины, было просто невозможно. Тем не менее Джек Килби решил эту задачу — в 1958 году он изобрел интегральную схему.

Задача, за которую взялся Картер, тоже на первый взгляд не решалась: как собрать воедино миллионы молекул-компонентов, если в такой схеме соединения будут обычными — то есть металлическими проводами, пускай и очень тонкими? И ведь между молекулами должен оставаться какой-то промежуток, ну, хотя бы в десяток нанометров. И как избавиться при таких масштабах и таком построении без квантовых эффектов? А эти явления наверняка осложнят функционирование любой схемы. И соединения-провода займут столько места, а там проблемы теплоотвода, наводок и т. п. Не лучше ли втиснуть все нужные компоненты в одну огромную молекулу — и дело с концом?

И вот подобно тому, как Джек Килби избавился от затруднений с подключениями и соединениями, придумав электронную микросхему, Форрест Картер предложил решить задачу подключения молекул-компонентов, придумав в 1984 году «молекулярную интегральную схему». Чтобы не ломать голову над тем, как свести каждый компонент (диод, транзистор и т. п.) к одной-единственной молекуле, а потом мучиться с их подключением друг к другу, он предложил воплотить всю схему в одной-единственной молекуле, затолкав в нее все компоненты и все соединения между ними. Физики, разумеется, возмутились, а химики впали в оцепенение! Дожили, ничего не скажешь: мало того, что надо соглашаться с тем, что молекула годится на роль детали в электронных устройствах, так еще нужно признать молекулу, в которой умещается вся электронная схема и, значит, кроме нее, этой молекулы, больше-то ничего и не нужно!

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-Uclafи 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.

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.

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 Pathfinderна 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 LanderДжим Гимжевски в 1998 году, в своей лаборатории IBMпод 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.