Случается, что такие перераспределения открывают новые возможности. Мгновенная фотография позволила нам обсуждать и оценивать снимки прямо в момент съемки, а не потом, в другое время и в другом месте. Похожим образом интеграция цифровых камер в сотовые телефоны дает собеседникам возможность просто показывать, а не описывать на словах то, о чем они говорят.
Микропроизводство и МЭМС
Еще одну возможность уменьшить размеры полезных предметов дают высокоточные технологии производства. Заметнее всего это в разработке и производстве электронных схем. Вакуумные трубки, использовавшиеся для построения ранних компьютеров, были громоздкими и сильно нагревались просто по своей природе. Сменившие их вскоре транзисторы были меньше и грелись уже не так сильно, что позволяло размещать их куда компактнее. Появление полупроводниковых технологий задало экспоненциальный рост плотности транзисторных элементов на кристалле кремния, позднее описанный законом Мура. В 50–х переносные радиоприемники с полудюжиной транзисторов казались чудом; к концу века компьютерные чипы размером с марку, вмещавшие 100 миллионов транзисторов, уже никого не удивляли.
Микропроизводство обычно начинается с макроскопического элемента, например — с кремниевой пластины, на которой путем точнейшего снятия или добавления слоев материала создаются сложные структуры вроде интегральных схем. По мере развития технологий минимальные размеры элементов в таких структурах, ранее составлявшие десятки микрометров, снизились до десятков нанометров. Эта прогрессия достигнет предела, когда элементы уменьшатся до пары нанометров, то есть до размеров атома — но это не значит, что развитие микропроизводств в этот момент остановитсяЗ. По мере приближения этой гонки к финалу акцент смещается на изобретение новых видов микроскопических структур и систем.
Методы микропроизводства, разработанные для изготовления электронных схем, уже расширены и обобщены для микрожидкостных систем с крохотными каналами, резервуарами, клапанами и форсунками, заменившими колбы и мензурки традиционной химической лаборатории и позволившими проводить анализ проб значительно меньших объемов. Те же методы используются и в производстве волноводов для света и радиосигналов. Название таких структур — микроэлектроме–ханические системы — занимает больше места, чем они сами, но, к счастью, его принято сокращать до МЭМС4.
Что еще удивительнее, в МЭМС могут бьпъ встроены подвижные части, такие как переключатели и клапаны, вибрирующие консоли, крошечные приводы и механические соединения. Это позволяет МЭМС функционировать в качестве сенсоров, преобразующих различные сигналы из окружающей среды в электронные данные. Их используют как датчики давления, микрофоны, измерители ускорения, датчики угловой скорости, детекторы видимого и инфракрасного излучения. Они могут превратиться в «лаборатории на чипе», распознающие химические и биологические вещества.
И наоборот, МЭМС способны функционировать как преобразователи информации в полезные физические, химические и биологические реакции. Они, например, могут испускать световые или радиоимпульсы, настраивать микроскопические зеркала, чтобы направлять сигналы в оптоволоконных системах, а также служить двигателями для микроскопических транспортных средств и роботов.
На заре микропроизводства чипы обычно выполняли интеллектуальные функции в устройствах нормального размера. Эту тенденцию определил персональный компьютер 1980–х; микрочип там находился в центре большого ящика, заполненного устройствами, обеспечивающими подачу электричества, прием сигналов и выполнение ответных действий. В течение 80–х и 90–х микрочипы встраивались во все более расширяющийся круг крупногабаритных систем — от домашних электроприборов до автомобилей и самолетов. Сегодня, с развитием технологий МЭМС, резко уменьшиться в размерах оказались способны и многие другие устройства, что открывает новые возможности для проектирования. МЭМС могут работать как автономные системы размером с насекомое внутри человеческого тепа и в прочих местах, требующих предельной миниатюризации. Запущенные в массовое производство недорогие МЭМС можно разбрасывать, как зерна пшеницы, ими можно окрашивать поверхности, их можно замешивать, к примеру, в бетон. Можно делать из них умные покрьп’ия, фиксирующие изменения окружающей среды и реагирующие соответствующим образом. А установив между ними беспроводную связь, можно создавать системы с распределенным интеллектом.
Восход нанотехнологий
За «микро» идет «нано» — мир, где устройства и системы, размеры которых исчисляются миллиардными долями метра, строятся атом к атому и молекула к молекуле. Идею эту предложил в 1959 году Ричард Фейнман в своем знаменитом выступлении «Внизу еще полно места»5. В конце 1980–х Эрик Дрекспер, собравший свои гипотезы в работе «Двигатели создания», поднял новую волну интереса к наномируб. Немногим более десяти лет спустя в США начала работу щедро финансируемая Национальная программа нанотехнологий; подобные же усилия предпринимались в других странах7. Научные и технические журналы регулярно публиковали обзорные материалы по теме — то восторженные, то критические8. А Майкл Крайтон пугал читателей своего техно–триллера «Рой» мерзкими ордами самовоспроизводящихся наночастицЭ.
Наноштучки не просто мельче своих микробратьев, они и ведут себя иначе. В депо вступает квантовая физика. Здесь преобладает энергия химических связей и межатомных взаимодействий. Огромная площадь поверхности на единицу объема часто ведёт к появлению полезных химических и биологических свойств. Характеристики прочности, удельной мощности, трения, теплопроводности, а также износостойкости и надежности оказываются другими, нежели при больших размерах. Здесь нужно помнить об уязвимости крошечных подвижных частей при столкновении со сравнительно крупными молекулами воздуха. Там, внизу, проектировщикам приходится играть по новым правилам.
Появление сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году позволило увидеть и сдвинуть единичный атом на поверхности образца. С тех пор нанотехнологи разработали целый ряд модификаций сканирующего микроскопа — в частности атомно–силовой микроскоп, — позволяющих передвигать атомы, как кубики Lego. Это дает возможность вручную собирать интереснейшие наноструктуры, но производство таких структур в целесообразных количествах требует эклектичной смеси из методов и техник, используемых в физике, химии, материаловедении, машиностроении, электротехнике и биологии. Многих из устоявшихся границ между этими дисциплинами в наномире просто не существует.
Если микропроизводство основано на контролируемом сверху придании материалу определенной формы, на наноуровне могут происходить определяемые снизу процессы самоорганизации. Как в биологических системах: структуры самопроизвольно выстраиваются из фрагментов атомного и молекулярного уровня, затем объединяются в более крупные и более сложные системы и так далее. Чтобы построить по такому принципу сверхсложные конструкции, нужны механизмы минимизации ошибок и автоматической корректировки на случай, если ошибка все‑таки была допущена.
На наноуровне впервые открываются возможности для молекулярной электроники и квантовых вычислений. Наноэлектронные схемы можно выстраивать из молекулярных «проводов» 10или из квантовых точек — беспроводных структур вроде электромагнитных «ящиков», содержащих определенное количество эпектронов11. Память и дисплеи компьютеров можно конструировать из углеродных нано–трубок12. Целые «вычислительные частицы» — взаимодействующие друг с другом в аморфной компьютерной системе — могут уменьшиться так, что будут летать, как пылинки, держаться на поверхности воды, как пыльца, и впрыскиваться в вену в качестве диагностических устройств13. А химические и биологические сенсоры смогут засекать одну–единственную молекулу.