Текст книги "Юный техник, 2001 № 06"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Ассамблея ассамблеров

Нанотехнология. Так называется новая, революционная отрасль современной техники. Приставка «нано» происходит от греческого слова nannos – карлик (отсюда, кстати, и нанометр – одна миллиардная доля метра).

Термин появился в середине XX века благодаря нобелевскому лауреату, известному физику Ричарду Фейнману. Еще в 1959 году он предсказал, что человечество скоро научится манипулировать отдельными атомами, молекулами или живыми клетками и сможет синтезировать все, что угодно. Сам Фейман не дожил до осуществления своей мечты, но идея осталась жить.

Первые шаги

В 1981 году ученые швейцарского отделения фирмы IBM изобрели силовой туннельный микроскоп. Мы уже рассказывали об этом удивительном инструменте подробно, поэтому лишь вкратце напомним.

Над полупроводниковой или металлической подложкой расположена тончайшая вольфрамовая игла. Напряжение порядка 10 вольт создает разность потенциалов между иглой и подложкой, являющимися в данном случае как бы обкладками конденсатора. Причем из-за малости зазора и крошечных размеров кончика иглы напряженность электростатического поля получается весьма солидной – около 10⁸ В/см. Это поле и является основной действующей силой туннельного микроскопа: точнее, одной из его разновидностей – атомного силового микроскопа.

Работать этот агрегат может в двух режимах. Если с помощью специальной схемы поддерживать ток между иглой и подложкой постоянным, то при сканировании (многократном проведении иглы над поверхностью) она будет то опускаться, то приподниматься, в зависимости от рельефа, как патефонная игла копирует профиль поверхности.

Поскольку любой механический привод весьма груб, перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1В таким игла смещается на величину порядка 2–3 нанометров.

Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер изучаемой поверхности. Воочию ее можно увидеть на экране персонального компьютера.

1. Нанороботы внутри кровеносных сосудов ведут ремонт организма.

2. Эти шестеренки, едва видимые на ладони невооруженным глазом, – детали первых наномеханизмов.

Изобретение такого микроскопа стало этапной вехой в создании практической нанотехнологии. Ведь, кроме «микроскопии на ощупь», с помощью аналогичной установки можно формировать саму поверхность. Хорошо известно, что электрическое поле влияет на характер диффузии – проникновения атомов со стороны в поверхностные слои вещества.

Если игла подведена к поверхности чересчур близко даже по меркам нанотехнологии, то в локальном поле появляются силы, достаточные для того, чтобы стягивать к игле атомы, подобно тому, как к наэлектризованной стеклянной палочке притягиваются бумажки и соринки. Увеличив поле, можно даже оторвать от поверхности одиночный атом, перенести его в другое место, а затем внедрить его там, сменив полярность напряжения на игле так, чтобы атом отталкивался от нее.

Именно таким образом, например, в 1990 году специалисты фирмы IBM «нарисовали» фирменный знак своего предприятия, использовав всего 35 атомов ксенона. А первый в мире робот, созданный компанией «Ксерокс» в начале 90-х годов, вылавливал отдельные атомы, а затем использовал их для художественного конструирования. Так маленькие дети используют элементы конструктора для своих поделок.

Первые шаги в развитии нанотехнологии были сделаны. Что дальше?

Детские забавы?

Большинство предметов, созданных человеком, как известно, насчитывают в своей структуре триллионы триллионов атомов. И для того чтобы получить из какого-то сырья полезную вещь, надо эти атомы упорядочить.

Конечно, от изготовления первых кремневых рубил до создания компьютеров на кремниевых микрочипах – дистанция огромного размера. Но суть методики всегда одна – обрабатывая детали, мы отсекаем лишнее, пытаемся навести какой-то порядок в кристаллической структуре. Современные технологи уже научились обращаться с объектами микрометровых размеров. Свидетельством тому те же микрочипы, в которых работают группы в тысячи атомов или даже в сотни.

Еще один шаг вниз – в наномир – позволит производить вещи из отдельных атомов, делать машины, сравнимые по размеру с крупными молекулами.

Да, пока первые опыты постижения наномира опять-таки похожи скорее на детские забавы. Как уже упоминалось, с помощью туннельного микроскопа исследователи выкладывают буквы высотой в 6–8 атомов, образующие название корпорации. Или с помощью приложенного электроимпульса открывают и закрывают коробочку длиной в несколько нанометров. Или заставляют крутиться молекулу-пропеллер…

Все это не более чем «проба пера». Хотя современная технология позволяет манипулировать отдельными атомами, но выглядят такие операции довольно неуклюже: для транспортировки одного-единственного атома служит огромный по сравнению с ним прибор. Это как если бы многотонный самосвал вез одну горошину.

Исследователи понимают недостатки нынешней технологии и мечтают научиться создавать настоящих нанороботов, которые бы работали с атомами, сами будучи размером с нанометр.

Дело дошло до того, что Институт Форсайта пообещал премию в четверть миллиона долларов тому, кто построит «руку», способную манипулировать с веществом на молекулярном уровне. И ныне уже есть подробный проект такого устройства.

У позиционирующего устройства будет шесть степеней свободы. Каждая будет управляться своей пневмосистемой, приводимой в действие давлением инертного газа, а цилиндрами послужат углеродные нанотрубки. Все в общем-то довольно просто, даже примитивно. Однако пока такая «рука» не создана. Ведь осуществить такой «примитив» куда сложнее, чем, скажем, подковать пресловутую лесковскую блоху.

Тем не менее, исследователи надеются, что первые «наноруки» вот-вот появятся.

Так выглядит сегодня главный блок атомного силового микроскопа.

«Наноруки» на нанозаводах

Первой областью, в которой они начнут работать, наверное, станет микро-, точнее, наноэлектроника. Дело в том, что у микросхем, изготовляемых традиционным способом, есть два фундаментальных недостатка. Во-первых, традиционная технология, как уже говорилось, не может оперировать с элементами схем меньше сотен атомов в размере. И во-вторых, она не позволяет создавать объемные схемы, что повысило бы вместимость чипов в десятки раз и во столько же уменьшило их размеры. А это, в свою очередь, открыло бы возможности создания нейронных схем, подобных тем, что работают в человеческом мозге.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны! В 1998 году датские ученые продемонстрировали атомный триггер, состоящий из… одного атома кремния и двух атомов водорода.

Можно сказать, что современная техника уже вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать бит информации с помощью одного электрона.

Однако настоящая революция в нанотехнологии произойдет, лишь когда десятки, сотни «нанорук» под управлением нанокомпьютеров будут собраны в бригады, появятся первые нанозаводы, способные, следуя заданным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины.

Такие устройства некоторые специалисты называют «ассемблерами», или сборщиками. Ну а бригады, состоящие из них, – соответственно «ассамблеями» или «ансамблями».

Полагают, что лет через 10–15 такие ансамбли смогут переставлять с места на место примерно миллион атомов в секунду. За тысячу секунд, или немногим больше чем за 15 минут, такой ассемблер сможет скопировать самого себя. Это уже сопоставимо с тем временем, за которое воспроизводит сама себя обыкновенная бактерия.

По нашему образу и подобию?

Отсюда вытекают уже грандиозные возможности – тонна ассамблеров сможет быстро построить тонну еще чего-нибудь. Причем конечный продукт будет иметь все свои триллионы триллионов атомов в нужных местах без всяких стружек и прочих отходов.

А это фактически приведет к тому, что станут совершенно ненужными все современные производства, начиная от сталеплавильных комбинатов и машиностроительных заводов и кончая агрофермами и пищевыми комбинатами. Зачем что-то растить на огороде, когда готовый продукт можно сразу получить в чане биореактора?..

В свое время (см. «ЮТ» № 10 за 1988 г.) мы писали о том, что современная технология позволяет ракеты не строить, а… ткать. Сегодня мы можем помечтать о том времени, когда ракетные двигатели для тех ракет будут выращивать.

Представьте, в цехе стоит огромный бак, внутри которого расположена опорная плита. На ней – «семя»-механозародыш – нанокомпьютер с хранящимися в кем планами будущей конструкции. На поверхности «зародыша» имеются места, к которым прикрепляются ассемблеры.

Насосы заполняют емкость густой жидкостью, которая состоит из ассамблеров (их вырастили и перепрограммировали в другом чане), а также того сырья, из которого хотят получить нужное нам изделие.

Ассамблер-сборщик прилипает к «семени» и получает от него инструкцию по дальнейшим действиям. А дальше все идет примерно так же, как в живом организме после оплодотворения. Одна клетка делится на две, те еще пополам… Сначала эти «клетки» не имеют специализации, они просто наращивают количество себе подобных.

Но вот рубикон перейден, количество перешло в новое качество. И ассамблеры начинают специализироваться. Их сообщества постепенно превращаются в органы – детали будущего агрегата. За несколько часов каркас из ассамблеров вырастает так, что уже соответствует конечной форме двигателя.

По мере того, как ведется сборка, в «семя» поступают запросы на те или иные химические элементы, и их по мере надобности добавляет в бак. И к концу смены, глядишь, из него вынимают уже готовый двигатель. Или тонну колбасы… Или фруктовое пюре…

Ведь ассамблерам в общем-то без разницы, что именно делать.

Растущие механизмы

Когда же можно будет ожидать появления первых наномеханизмов? Известный специалист Эрик Дрекслер полагает, что такое производство получит широкое распространение уже к середине нынешнего века.

И тогда наше хозяйство преобразится. Комплексы нанороботов заменят естественные «машины» для производства пищи – растения и животных. Вместо длинных цепочек «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко» останутся лишь «почва – нанороботы – молоко».

Или, если хотите, сразу творог. Или мясо. Уже жареное…

В быту появятся умные вещи, созданные наномашинами. Мало того, что они смогут видеть, слышать и даже соображать. На базе нанотехники ничего не стоит создавать предметы и конструкции, изменяющие свою форму и свойства.

Скажем, в зависимости от количества пассажиров автомобиль, например, сможет отращивать дополнительные сиденья, а его двигатель – заживлять царапины на стенках цилиндров.

Человечество перестанет вредно влиять на окружающую среду. Потому как все отходы будут тут же превращаться в полезное исходное сырье для новой нанопереработки.

Таковы перспективы завтрашнего дня, обрисованные зарубежными специалистами.

Скатерть-самобранка XXI века

«Ну а что делают наши нанотехнологи?» – наверняка спросите вы.

Мы уже рассказывали (см. «ЮТ» № 10 за 1993 г.), как работают специалисты в НИИ «Дельта», где создают первые образцы «скатертей-самобранок XXI века». Именно так называет устройства, создаваемые здесь, один из его конструкторов – П.Н. Лускинович.

И ему вполне можно верить, поскольку его слова подтверждаются работами сотрудников возглавляемой им лаборатории.

Со стороны все выглядит на редкость обыденно. За дисплеем персонального компьютера сидит молодой человек, постукивает по клавишам. А рядом на рабочем столе стоит небольшое устройство, размерами и блеском никеля напоминающее кофейник. «Кофейник» и оказался тем самым атомным силовым микроскопом, с помощью которого можно манипулировать атомами. Чем, кстати, молодой человек и занимался.

Настукивал на клавишах программу работы персональному компьютеру, а тот, в свою очередь, командовал молекулярной сборкой. И на телеэкране было отчетливо видно, как на глазах менялся рельеф бугристой поверхности – одни атомы замещались другими.

Атом к атому, молекула к молекуле… Получается клетка. Потом несколько клеток формируют зародыш органа, а из органов в конце концов вырастает организм. Вот эту-то операцию, лежащую в начале всех начал, и отрабатывают ныне ученые. Раз за разом, атом за атомом пробуют они разные комбинации, подбирают наилучшие алгоритмы действия.

Пока все это делается довольно медленно. Но не забывайте, что действуют специалисты все-таки не голыми руками, а с помощью туннельных микроскопов и ЭВМ. А компьютер – такая машина: научи ее однажды чему-то, и она уже не забудет. И вскоре сможет выполнять разученные операции со сказочной быстротой, круглые сутки без остановки.

П.Н. Лускинович (в центре) со своими коллегами.

_{Станислав СЛАВИН}

СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
Цифры вместо «птичек»

Последнее время в магазинах все чаще наряду с обычными фотоаппаратами продают так называемые цифровые фотокамеры. Не могли бы вы рассказать, чем они отличаются от обычных? Каковы их преимущества и недостатки?

Олег Воротников,

Московская область

Цифровой аппарат отличается от пленочного прежде всего тем, что в нем изображение воспринимает не пленка, а электронная матрица. В большинстве бытовых цифровых аппаратов она имеет меньшие размеры, чем стандартный кадр 24x36 мм. А если размер «негатива» составляет всего 1/8 пленочного кадра, это позволяет значительно уменьшить габариты самого аппарата, снизить стоимость объективов к нему. В итоге аппаратура получается весьма компактной, легкой и довольно дешевой при неплохом качестве изображения.

Дело в том, что качество цифрового снимка определяется не размером негатива, как в обычной фотографии, а разрешением матрицы. Она измеряется в пикселях – точках на единицу площади. Так, скажем, для журнальной обложки хорошего качества размером А4 (то есть стандартный бумажный лист 210x297 мм) требуется, чтобы качество изображения было в пределах 3 млн. пикселей (или 240–250 пикселей на дюйм). Если вам нужно изображение размером АЗ – то есть вы собрались печатать шикарный многокрасочный календарь, – вам необходимо 4–5 млн. пикселей (или 400–450 пикселей на дюйм).

Причем количество чувствительных точек на матрице, вообще-то говоря, слабо связано с ее собственными размерами. Даже при площади в 1/8 обычного кадра число пикселей может достигать 3 и более млн. Правда, при увеличении размеров самой матрицы, как правило, повышается чувствительность каждого элемента. Если, скажем, при мини-формате максимальная чувствительность составляет около 400 ед. АСА, то при размерах матрицы, скажем, в 1/2 стандартного кадра чувствительность уже может быть 1600 ед. АСА, а то и выше.

Обычные пленки такой чувствительности уже имеют довольно сильное зерно и искаженную цветопередачу. В общем, при съемке на такую пленку никогда не знаешь толком, что у тебя получится. Здесь же без особого напряжения можно проводить съемки в ночном городе с рук, не пользуясь штативом. И все получится резким, без обычной в таких случаях «шевеленки».

Цифровая камера «Nicon D1» созданная на базе обычного фотоаппарата.

Цифровой аппарат «Olimpus C-2500L».

Цифровой аналог обычной мыльницы «С-3030 Zoom».

Изображение кадра можно наблюдать непосредственно на задней стенке камеры.

Вполне приличный цифровой фотоаппарат типа «мыльницы» в начале 2001 года можно было купить за 300 долларов. За 400 долларов – вы уже выбираете, какие «примочки» в вашей камере должны иметь место. В пределах 700 – 1000 долларов стоит зеркальный цифровой фотоаппарат, снимки с которого уже можно использовать профессионально.

Причем такой аппарат уже может быть оснащен 10-кратным «зумом». Такой же объектив с переменным фокусным расстоянием для обычной пленочной камеры стоит порядка 2500 долларов, имеет такой вес и размеры, что держать в руках камеру с таким объективом становится тяжело, для съемки обязательно нужен унипод или штатив.

Само изображение, несмотря на то, что в электронном виде оно может занимать десятки мегабайт, не создает особых неудобств. После дня съемки фотограф сгружает все «картинки» в свой портативный ноут-бук и переписывает затем на компакт-диски. Скажем, в камере Д-30 производства фирмы «Кэнон» носитель размерами в половину спичечного коробка имеет вместимость около 1 гигабайта. Этого вполне достаточно, чтобы сделать около 100 снимков.

Более того, уже появились камеры, которые имеют компакт-диски внутри. И когда один заполнен, то его можно заменить, как меняют ролик пленки в обычной камере.

В Японии ныне продают больше цифровых фотоаппаратов, чем пленочных, потому что в стране налажена инфраструктура обработки изображений – качественной их печати на бумаге. На начало XXI века в Европе имеется 10 процентов цифровой техники, в нашей стране – не более 1 процента. Потому как в Москве всего несколько точек, где можно обработать такие цифровые снимки. Но процесс уже пошел.

Наконец, несколько слов о том, что делают после того, как съемка окончена. Компакт-диск с изображением помещают в приемную щель обычного персонального компьютера. На экране дисплея кадр можно ретушировать, менять цветовой баланс, убирать «красноглазие», добавлять по желанию романтическую дымку на дальнем плане, «впечатывать» на чистое небо облака, монтировать изображение с двух или нескольких кадров.

После того, как обработка закончена, нажимается кнопка и струйный принтер в течение 2–3 минут выдает готовый снимок на писчей бумаге. При этом можно гарантировать, что его качество будет не хуже обычного цветного фотоотпечатка. А если еще воспользоваться специальной бумагой, то полученные картинки будут наверняка красочнее, сочнее, чем даже иллюстрации в хорошем альбоме, выполненном по всем правилам офсетной печати.

Особенно удобна цифровая фотосъемка для репортеров. Современная техника позволяет им на месте посмотреть полученные снимки. Если что-то не получилось – можно немедленно переснять и тут же переслать фотографии в редакцию по телефонной сети.

Есть преимущества и для любителя. Когда он снимает довольно много, то у него образуется куча альбомов, которые занимают много места в квартире. А вот найти нужный снимок среди сотен, а то и тысяч других бывает весьма проблематично.

Цифровые же снимки записываются на компакт-диски, которые занимают очень небольшой объем. Кроме того, уменьшенные копии этих оригиналов записывают прямо на винчестер компьютера, создавая своеобразный каталог. При такой системе найти нужный снимок на том или ином диске уже не составляет особой проблемы.

С.НИКОЛАЕВ

ПО СЛЕДАМ ПЕЧАЛЬНЫХ ЮБИЛЕЕВ
Свечение над Чернобылем

Как свидетельствует запись дежурного, оно появилось за минуту до взрыва над четвертым реактором Чернобыльской АЭС.

26 апреля 1986 года во втором часу ночи дежурный оператор в зале реактора почувствовал сильную вибрацию и увидел странное свечение воздуха. Затем зашатались стены и пол пошел ходуном. Это последнее, что успел он зафиксировать в рабочем журнале. В 1 час 23 минуты и 40 секунд на Чернобыльской атомной электростанции грохнул взрыв…

О том, что именно послужило его причиной, исписаны уже тома. Придуманы сотни версий, начиная от элементарного разгильдяйства дежурной смены и кончая вмешательством неких высших сил. Но одна версия долгое время почему-то оставалась незамеченной. И спасибо академику Михаилу Руденко, обратившему особое внимание именно на нее.

Странности на станции, по данным академика, начались задолго до взрыва. Оказывается, еще за год до трагических событий директор ЧАЭС Виктор Брюханов обратился в Институт физики Земли АН СССР с просьбой направить на станцию специалистов, которые помогли бы понять, почему перекашивается фундамент под агрегатами 4-го блока. Причем он не проседал, как это обычно бывает, а приподнимался, то есть почву под блоком как бы вспучивало.

Однако должного понимания «наверху» местные специалисты не получили. И в октябре 1985 года Брюханов снова обращается к вышестоящим инстанциям: «Продолжается сверхнормативное вертикальное смещение фундамента 4-го блока, просим направить специалистов…»

В середине апреля 1986 года была также отмечена усиливающаяся вибрация турбогенератора станции, вызванная перекосом фундаментов.

Наконец решение об остановке блока на планово-предупредительный ремонт было принято. Смена в ночь с 25 на 26 апреля занималась расхолаживанием реактора, то есть выведением его из рабочего состояния. И уж попутно исследователи решили провести и некоторые эксперименты. В частности, предполагалось выяснить, сколько будет вращаться турбогенератор по инерции в отключенном состоянии без подачи пара…

Начиная с 23 часов персонал наблюдал вибрации и сбои в системе управления реактором. Казалось бы, ничего страшного – ведь реактор работал уже на уровне 7 процентов от номинальной мощности. Но с окончательной остановкой блока все же опоздали – происходит та самая катастрофа, которая и «прославила» Чернобыль на все времена.

В момент трагедии на ЧАЭС находились 176 человек дежурного персонала; еще 268 человек работали на строительстве двух блоков по соседству – примерно в километре от 4-го блока.

Первыми на то, что в катастрофе виноват вовсе не персонал станции, указали геологи и геофизики. При обследовании геологических пластов они записали в своих отчетах: ЧАЭС базируется на разломе между двумя пластами, в сейсмически неустойчивом районе. Однако этот вывод был положен членами правительственной комиссии под сукно.

Далее научный сотрудник Института физики Земли Евгений Барковский, собрав все свидетельства очевидцев и сейсмические данные – в том числе и сейсмограммы, снятые военными на окружающих ЧАЭС спецобъектах, – пришел к заключению, что одной из главных причин катастрофы могло послужить землетрясение. Об этом прямо сказано в его докладной записке, направленной руководству своего института: «…Система защиты и управления 4-го блока была подавлена землетрясением».

Именно этим, а вовсе не «преступной халатностью» персонала объясняется трагедия.

Об этом также свидетельствует и «Заключение экспертизы комиссии о сейсмическом событии 26.04.86 года в районе ЧАЭС», датированное 22 февраля 1996 года и подписанное директором Института геофизики АН Украины В. Старостенко и гендиректором Института физики Земли РАН В. Страховым. В нем, в частности, говорится, что «тремя станциями комплексной сейсмологической экспедиции, дислоцированными в р-не Норьинска, Глушковичей и Подлубы, зарегистрировано сейсмическое событие, происходившее 26.04.86 года в 1 час 23 минуты 39 секунд местного времени. Анализ сейсмограмм, полученных на расстояниях 100–180 км от эпицентра, позволяет оценить масштаб этого события в 1,6–3,2 балла. Его эпицентр… совпадает с хронологией известных событий на ЧАЭС, содержащихся в Отчете МАГАТЭ за август 1986 года, и показывает, что первое событие (первый подземный толчок) произошло за 20 секунд до взрыва на станции»…

Но коли все это известно, почему тогда, в 1986 году, все списали на халатность дежурной смены? Да потому, что мертвые сраму не имут. В противном случае отвечать бы пришлось тем, что разрешил сооружить АЭС в сейсмически опасном месте, прямо над тектоническим разломом земной коры. Но те высокие чины нести ответственность не хотят и по сию пору…

Свидетельством тому может послужить хотя бы недавний пуск Ростовской АЭС, месторасположение которой мало чем отличается от ЧАЭС по сейсмическим особенностям района. Более того, анализ показал, что подавляющее большинство всех отечественных АЭС расположены в зоне геологических разломов, а значит, могут быть подвержены сейсмическим подвижкам.

Объясняется все весьма просто. Станции всегда старались возводить поблизости рек и прочих источников водоснабжения, необходимых для охлаждения атомных «котлов». Это обходится дешевле. И при этом старались не обращать внимания на общеизвестный геологический факт: реки как раз протекают по разломам земной коры. И дай бог, чтобы это не обернулось новыми катастрофами.

Сейсмическая подвижка глубинных слоев вспучивает поверхность земли.

Максим ЯБЛОК0В