Кое-что об известной блохе
Кое-что об известной блохе
О микромеханике, ее методах и достижениях подавляющая часть планеты также плохо осведомлена, как и о наноэлектронике, а между тем на развитие этой отрасли в Японии тратят ежегодно 200 миллионов долларов, в Германии — 70 млн.
Почти все, что в России широкая публика знает о микромеханике — это достижение тульского умельца Левши, который подковал механическую блоху, сделанную английскими мастерами. Однако, его подковки и даже надпись на них, видимую «только в самый сильный мелкоскоп», современные микромеханики посчитали бы грубой работой.
Если считать, что сама блоха — размером в один миллиметр, подковки — в одну десятую миллиметра, а буквы в десять раз меньше подковок, то все равно получается, что размер буквы — около 10 микрон.
Нынешние же нанотехнологи «освоили» нанополиграфию, где буквы — в тысячную долю микрона.
А с буковками Левши сегодня становятся сравнимы разве что целые миниатюрные агрегаты — например, микродвигатели. Крутящий момент таких двигателей невелик, он, конечно, уже несколько превышает момент, развиваемый ресничкой бактерии сальмонеллы, но еще не «вытягивает» нагрузку, достаточную, чтобы крутить стрелки часов. Зато, как предполагают разработчики, микромотор может раскрутиться до 2–5 млн. оборотов в минуту.
А микрогенератор тока Гукеля, созданный в Висконсинском университете уже сегодня в состоянии обеспечить электроэнергией микросхему, причем работает он от движений воздуха при размахивании им, используя «сквозняки». Уже довольно-таки давно, с начала 80-х, действуют в Карлсруэ (Германия) микроцентрифуги с криволинейной формой миниатюрного сопла для разделения изотопов урана (изготовленные методом LIGA).
Надеясь совершить новую промышленную революцию, микромеханики изобретают механизмы размером с простейшие одноклеточные организмы — насосы, клапаны, зубчатые коробки передач и тому подобное. Перечисление рекордных достижений в этой области на одной из международных конференций пятилетней давности заняло список в 1000 страниц — от устройства, управляющего давлением пузырька газа, до «живого» датчика, который как человеческая рука может различать материалы по степени их твердости.
Многие из этих миниатюрных чудес сегодня еще не находят применения, но завтра они окажутся востребованными, причем в совершенно неожиданных областях. Например, микронных размеров мембраны, поднимающиеся и опускающиеся к поверхности кристалла. Может быть, они станут искусственными «жабрами» для человека, которые будут улавливать растворенный в воде воздух и подавать его в легкие. Тогда люди станут автономными при исследованиях и освоении океана.
А изготовленная в Далласе матрица из двух миллионов микронных зеркал, отклоняющих световой луч по заданной программе, имеет все шансы стать основой нового телевидения с экраном любого размера и яркости.
Комбинация же микродатчиков, «чувствующих» ускорение в одну миллионную долю земного, атмосферное давление, температуру, влажность и состав воздуха дает человеку прибор размером в обычные наручные часы, который покажет точнейшее географическое положение, экологическую чистоту атмосферы и предскажет будущую погоду.
Миниатюрность современных изделий микромеханики, как уже говорилось, поразила бы даже выдающихся умельцев блошиного периода. Но возможности еще более значительного уменьшения этих изделий далеко не исчерпаны.
Однако, микромеханика, считают ученые, пойдет вглубь не простым масштабным сокращением. Нельзя, утверждают они, сократить слона до мухи (как и наоборот), такой объект будет нежизнеспособен. И обычные механизмы — двигатели, турбины, насосы — нерационально уменьшать до молекулярных размеров. Тут нужны новые идеи, новые конструкции — возможно те, что созданы микромиром живой природы.
А также новые технологии, которые позволят создавать элементы микромеханики сразу в громадном количестве, причем агрегатированными — то есть собранными в один функциональный узел — и интегрированными на одном кристалле. Такие технологии, как, например, фотолитография с использованием рентгеновского излучения синхрофазотрона. Она прекрасно себя показала при создании интегральных схем микроэлектроники, она станет, похоже, базой развития микромеханики. На одном кристалле можно будет вырастить целую лабораторию, цех и фабрику. И, хотя «станки», насосы и турбины этих фабрик будут меньше пылинки, суммарная продукция их станет вполне ощутима.
Эксперимент показал, что миллион микронасосов, выращенных на одном кристалле, перекачивает за минуту почти литр воды!
Вероятно, микромеханика пойдет по тому же пути, что и электроника, которая в свое время от отдельных макродеталей: резисторов, ламп, катушек и конденсаторов, «доросла» до микроэлементов, интегрированных на одном кристалле. Путь известный, накатанный, а потому несравнимо более короткий, чем пятидесятилетний путь, который прошла микроэлектроника.
Человек приручил электричество намного позже, чем механику. Более трех миллионов лет он применял очень примитивную механику — палку, копье, нож, лук. Но и человек разумный за пятидесятитысячелетний срок только в последние лет триста разобрался с электричеством. И за это мгновение кардинально преобразил свою жизнь.
Теперь очередь механики дать землянам поразительные результаты. Надо думать, что она не остановится на ближайшем этапе — микромеханике, а стремительно начнет осваивать новую область — наномеханику. Ее преимущества видны уже сегодня.
Предел применению изделий механики — станков, оружия, транспорта — обычно ставила инерционность. Максимальная частота механических перемещений достигала десятков, в лучшем случае сотен колебаний в секунду.
Но с уменьшением масс на 20–25 порядков эта частота резко растет, и в наношкале механические элементы объемом не более одной стомиллионной доли кубического микрона выполняют до 1010 инструкций в секунду.
Если удастся решить проблему теплоотвода в таких системах (около 1 вт), то быстродействие подскочит до 1016 инструкций в секунду.
Компьютер из элементов такой наномеханики (чей прообраз советский арифмометр «железный Феликс») составит серьезнейшую конкуренцию электронному компьютеру.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.