Не блоху подковать

Давным-давно, когда деревья были большими, а электронные вычислительные машины еще больше, человечество не предполагало, что в не таком уж далеком будущем появятся компактные, но очень функциональные цифровые устройства. Иван Ефремов и другие фантасты того времени с легкостью представляли себе межгалактические полеты, но не могли вообразить дальней связи без громоздких радиостанций. Тем не менее сегодня мы едва ли можем представить свою жизнь без смартфона в кармане, умных часов на руке и тонких телевизоров дома. Многое из этого стало возможно благодаря исследованиям в области нанотехнологий. Вместе с Уральским федеральным университетом (УрФУ) вспоминаем историю миниатюризации электроники и пытаемся представить, как выглядел бы мир без нанотехнологий.

Нанотехнологии и с чем их едят

Считается, что основоположником методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологиями, в 1959 году стал Ричард Фейнман — американский ученый, один из создателей квантовой электродинамики. Он предположил, что должны существовать способы, позволяющие физически перемещать одиночные атомы и собирать из них программируемые машины, способные производить не только себе подобных, но и различные макровещи.

Фейнман предполагал, что такие программируемые наномашины позволят выпускать различные устройства в больших количествах и гораздо дешевле, чем с использованием традиционных станков на заводах. Надо сказать, что идея Фейнмана пока в жизнь не воплощена, но сама возможность производства программируемых наномашин не опровергнута. Нанотехнологии вообще область молодая и неизведанная, но обещающая большие прорывы.

Например, до сих пор даже нет общепринятого на мировом уровне определения, что такое нанотехнологии. В США принято считать, что нанотехнологии — набор методов, которые позволяют в нанометровом масштабе использовать свойства объектов и материалов, отличающиеся от свойств свободных атомов и молекул, для производства новых материалов и приборов.

В России действует отдельный ГОСТ Р 55416-2013, согласно которому нанотехнологии представляют собой «совокупность технических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона», то есть в пространственном диапазоне от 1 до 100 нанометров.

«Суть нанотехнологий заключается в исследовании того, как меняются свойства материалов при переходе на наномасштаб — менее 100 нанометров. На таком масштабе возникают новые физические явления, проявляются новые свойства материалов, которые можно использовать в различных устройствах», — рассказывает Денис Аликин, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов и наноустройств УРФУ.

Например, золото, само по себе являющееся химически инертным, может выступать катализатором, если из него сделать нанокольцо: с его помощью можно окислять монооксид углерода до диоксида углерода. Если в обычный аккумулятор добавить вместо привычного графита графен, то можно значительно улучшить свойства батареи — улучшить отвод тепла, проводимость электронов.

А если в бессвинцовый припой на основе олова и серебра добавить наночастицы оксида олова размером 40–60 нанометров, то температура его плавления снизится с порядка 300 градусов Цельсия до 200–220 градусов без потери основных свойств. Это означает, что при сборке электронных устройств можно использовать низкотемпературную пайку, а значит, отсутствует риск повреждения чувствительных к перегреву микросхем, например чипов памяти.

Подобных примеров можно привести множество — от способного передавать свет нанокремния до углеродных нанотрубок. При этом по мере развития нанотехнологий ученым приходится решать две фундаментальные проблемы: самоорганизацию наночастиц и образование агломератов.

Первая проблема заключается в поиске различных способов заставить молекулы того или иного вещества самостоятельно группироваться необходимым образом, чтобы в итоге получались новые материалы или устройства с новыми свойствами. Вторая же заключается в том, что нанометровые частицы способны слипаться друг с другом, образуя агломераты, как правило неупорядоченные и препятствующие их использованию. Уже получены некоторые результаты, однако говорить о полном решении этих проблем пока рано.

Меньше — лучше

В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе создал первый в мире программируемый цифровой компьютер, работающий с двоичным кодом с плавающей запятой. Эта машина была способна на 22-битные вычисления и использовалась компанией Henschel-Werke для расчета вибрационных характеристик крыла и оперения летательных аппаратов.

Компьютер получил название Z3. Он был способен производить операции сложения за 0,8 секунды, а умножения — за 3 секунды. Общая производительность вычислительного устройства составляла 2 флопса при энергопотреблении 4 киловатта. Машина состояла из двух вычислительных релейных шкафов и пульта оператора, которые все вместе занимали четыре кубометра пространства. Z3 весила чуть больше тонны.

Производительность современных ноутбуков, не относящихся к игровой серии, составляет в среднем 130-140 гигафлопс, а весят они редко больше полутора килограммов и потребляют в среднем до 200 ватт. И все это стало возможно благодаря в том числе достижениям в области нанотехнологий.

Так, процессор Intel Core i7 11 поколения, производимый по 10-нанометровой технологии, в своем кристалле содержит чуть больше 6 миллиардов транзисторов. Для последующих поколений этого процессора Intel количество транзисторов в кристалле пока не раскрывала, но эта компания движется по пути постоянного увеличения таких электронных устройств в своих чипах. По 10-нанометровому техпроцессу сегодня производится и оперативная память для различных устройств.

При этом в целом электроника пока недалеко шагнула в использовании нанотехнологий — не считая процессоров, графических процессоров и памяти, вся остальная «обвязка» пока относится к микродиапазону. Речь идет о резисторах, транзисторах, стабилизаторах напряжения, кварцевых резонаторах, кондиционерах и многом другом.

Некоторые из элементов «обвязки» пока невозможно перевести в наноразмер так, чтобы их можно было использовать, например, в силовых цепях. Так, компании Samsung только в 2021 году удалось с помощью нанотехнологий создать пленочный конденсатор размерности 0402 (0,4 на 0,2 миллиметра), способный работать в цепях питания до 6,3 вольта. Для умных наручных часов такой подойдет, для ноутбуков и настольных компьютеров — нет.

Тем не менее разработки в этой области активно ведутся, и если будут получены необходимые результаты, то, например, материнские платы будущих ноутбуков по своим размерам будут сопоставимы с современными смартфонами при той же или большей производительности процессоров. Аналогичные ограничения пока касаются и дисплеев. Та же Samsung в 2020 году смогла изготовить OLED-дисплей с пикселями размером 80 на 100 нанометров, его плотность составляет 10 тысяч пикселей на дюйм.

Умные часы размером с холодильник

Изыскания в области наноматериалов и их свойств позволяют значительно продвинуть микроэлектронику. Благодаря этому выпускаемые сегодня умные часы, самое многофункциональное и миниатюрное из современных портативных устройств, уже умеют не только показывать время, считать шаги и пульс, но и мерить кровяное давление, определять угрожающие жизни состояния сердца и многое-многое другое.

Но как бы могло выглядеть такое устройство, если бы оно было разработано с использованием технологий 1960-х годов? Очевидно, рассчитывать на большую функциональность не приходится. Например, первый жидкокристаллический дисплей появился только в 1964 году. Это была монохромная символьная панель, способная отображать только те знаки, которые заранее заложены в ее конструкцию при производстве.

В таком жидкокристаллическом дисплее над отражающей свет подложкой расположены два стекла, между которыми в специальных углублениях находятся жидкие кристаллы. Молекулы этого вещества под воздействием электрического тока меняют свою ориентацию, изменяя и поляризацию света, проходящего через жидкие кристаллы. Поляризованный свет становится виден благодаря светофильтру, наклеенному на дисплей.

С учетом этого возможности отображения информации на дисплее будут невелики: ни сменных обоев, ни декоративных циферблатов, ни даже цветного изображения. При этом нужно будет учесть, что чем больше информации мы захотим отображать на таком дисплее, тем большими будут его физические размеры.

Первый портативный кардиомонитор, способный отсчитывать пульс человека, был изобретен только в 1980 году компанией Polar. Его создали специально для финской национальной лыжной сборной, чтобы спортсмены могли контролировать свои результаты. Устройство было выполнено в виде часов и могло показывать текущее время. В нем использовались некоторые технологии, разработанные еще в 1940-х годах. Речь идет, в частности, об электрокардиографе — приборе, способном регистрировать электрические импульсы работы сердца.

На внутренней стороне часов-пульсометра Polar располагались несколько электродов, с помощью которых оно и улавливало электрические импульсы на поверхности кожи спортсмена и отсчитывало пульс. В том же году Polar занялась активными разработками оптического пульсометра — устройства, способного улавливать изменения яркости проходящего через кожу света в зависимости от наполнения тонких сосудов и капилляров кровью с пульсовой волной.

В современных умных часах мы привыкли и к наличию спутниковой навигации, которая в них обычно используется не столько для показа пути, сколько для записи траектории движения пользователя. Сама по себе технология спутниковой навигации появилась в 1974 году, когда США запустили первые спутники GPS. Их разработка изначально велась для военных. Тогда же появился и первый GPS-приемник. Правда, для его работы требовались аж два оператора, а само устройство весило 122 килограмма и располагалось на платформе с колесами для перекатывания.

То же можно сказать и о многих других миниатюрных устройствах, которые сегодня умещаются в маленькие наручные часы. В 1960–1970-х годах, например, уже существовали акселерометры. Это были устройства цилиндрической формы высотой около 6 сантиметров и диаметром около 2 сантиметров. В них располагались несколько пьезокерамических пластинок, деформирующихся при ускорении и из-за этого изменяющих свою электропроводность. Они регистрировали изменение магнитного поля в катушках при смещении маятника в зависимости от ускорения.

Если подключить фантазию, то в 1960-х без нанотехнологий современные умные часы таковыми вовсе не выглядели бы. Скорее всего, это был бы внушительных размеров дисплей на руку, с тянущимися к нему проводами от аккумулятора. К руке пользователя был бы прикреплен небольшой блок акселерометра, а в рюкзаке за спиной располагалась бы батарея, питающая все это хозяйство. Следом за пользователем на колесах двое специально нанятых рабочих толкали бы GPS-приемник.

Наномашины, сынок

Но наука не стоит на месте. Одним из направлений современных нанотехнологий являются нанороботы — роботы размером с одиночный атом или их небольшую группу, способные выполнять самые разные задачи, используя для работы и получения энергии вещества из окружающей среды. Например, уже существуют экспериментальные наноботы, способные двигаться за счет разложения мочевины. Однако практическое применение наноботов — перспектива десятилетий.

По словам Дениса Аликина, одно из наиболее перспективных направлений нанотехнологий сегодня — разработка носимой биосовместимой электроники, которая позволила бы контролировать или даже улучшать некоторые функции человеческого организма. Со временем такая электроника могла бы просто без следа растворяться. Например, уже возможно создание энергонезависимого питания устройств на основе некоторых групп аминокислот и других органических соединений. Без нанотехнологий в таких разработках никак не обойтись.

Подобными и многими другими исследованиями наномира занимается лаборатория функциональных наноматериалов и наноустройств ИЕНиМ УРФУ, созданная в июле 2022 года в рамках программы «Приоритет-2030». Она уже оснащена всем необходимым оборудованием, с помощью которого ведутся изыскания в области новых наноматериалов. Один из основных методов исследования в лаборатории — сканирующая зондовая микроскопия, позволяющая на наноуровне изучать свойства материалов.