Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Я надеюсь, что картина понравилась и хочу поразить вас еще одним его необычным произведением. Поскольку ему нравится экспериментировать с изображением человеческого глаза, на следующем слайде вы вновь видите глаз. Картина очень хороша по колориту и форме, ее можно отнести к настоящим произведениям искусства, но что-то в ней настораживает, не правда ли? Я прошу зрителей, понявших смысл изображения, не выдавать секрета, поскольку я хочу пояснить секрет картины следующими слайдами, на которых детали даны в ином масштабе. Увеличив изображение, мы вдруг начинаем различать детали и штрихи, которые художник использовал для нанесения «морщинок» и особенностей глазницы, а при дальнейшем увеличении (следующий слайд) мы вдруг понимаем, что изображение глаза особым образом «вмонтировано» в общий вид города Лос-Анжелес на снимке, полученном из космоса! Человеческий глаз на картине представляет собой лишь элемент картины, и сейчас я поясню, как художнику удалось получить столь необычное изображение.

Снимок действительно сделан из космоса по системе LANDSAT, а глаз в углу картины предварительно создал на земле сам художник довольно необычным трюком. Дело в том, что Ван-Сант построил в пустыне рядом с Лос-Анжелесом устройство, моделирующее глаз, как бы имеющий в диаметре около 2,5 километров. Эту совершенно нетривиальную задачу художник решил весьма оригинальным методом. Он специальным образом расположил на очень большой территории набор из 24 зеркал с длиной стороны всего около 2 футов (~60 сантиметров), рассчитав их положение и ориентацию таким образом, чтобы отраженный ими солнечный свет попадал именно в ту точку, где должен находиться спутник LANDSAT, пролетая в очередной раз над городом Лос-Анжелес. Сигналы от зеркал попадают в объектив спутника, накапливаются при последовательных пролетах над городом, обрабатываются запоминающим устройством спутника и, в конечном итоге, создают со временем вполне устойчивые точки или элементы изображения (специалисты по связи называют их пикселями), складывающиеся в картину огромного человеческого глаза на краю города. Именно эту картину я и показал на первом слайде. Вот что я называю настоящим модернистским искусством! Выше я говорил о самом крошечном изображении, а описанное изображение можно считать самым большим произведением искусства, когда-либо созданным человеком. Изучив более внимательно исходную картину, можно заметить небольшое искажение, связанное с отсутствием одной точки на изображении. Когда художник с друзьями стал проверять свою установку, то оказалось, что одно из зеркал действительно сброшено с опоры и на нем легко различимы следы лапок диких кроликов, расплодившихся в окрестностях города. Кролик сумел уничтожить одно из зеркал и лишить Ван-Санта одного из пикселей на изображении.

А теперь давайте сравним обе картины и попробуем провести для них некоторые количественные оценки. Достижение Ван-Санта заключается в том, что он дает нам два изображения человеческого глаза, одно из которых в 100 000 раз меньше, а второе – в 100 000 раз больше нормального, и это неожиданным и странным образом позволяет нам оценить огромную разницу в масштабах изображения. Мы вдруг увидели один и тот же объект одновременно в двух ракурсах: размером в пылинку и в виде структуры, растянувшейся в 2,5 километра по калифорнийской пустыне. Само ощущение такого изменения масштабов является восхитительным, но меня интересует не художественное восприятие, а именно изменение масштабов, причем не столько в сторону уменьшения, сколько в сторону увеличения. Как будет выглядеть глаз, увеличенный еще в 100 000 раз, когда его размеры сравнятся с кольцами Сатурна, а сама планета будет соответствовать зрачку?

Я использовал эти картины, чтобы дать возможность ощутить проблемы, связанные с изменением масштабов, продемонстрировать существующие возможности миниатюризации и оценить прогресс, достигнутый в этой области со времени лекции 1960 года. Чуть позднее я поделюсь мыслями об очень важном вопросе дальнейшего уменьшения размеров вычислительных устройств, а сейчас мне хочется рассказать еще кое-что о миниатюрных машинах и устройствах.

20.3. Как можно изготавливать крошечные машины?

Под термином «машина» я понимаю любое составленное из подвижных частей и деталей (типа колес и других механических деталей) устройство, поведением которого мы можем управлять. В качестве общего термина тут подошло бы несколько устаревшее понятие «машинерия», в котором особо важным для определения является наличие подвижных частей или деталей, представляющих собой четко различимые объекты. Я должен сразу признаться, что относящиеся к миниатюрным машинам мысли и предсказания лекции «Внизу полным-полно места» 1960 года оказались в основном ошибочными. Точнее говоря, мои предсказания о быстром развитии разнообразных механических микроустройств просто не сбылись. Единственным полноценным образцом такого микродвигателя можно считать мотор Мак-Леллана, который я только что вам продемонстрировал.

Возможно, неудача моих предсказаний связана и с тем, что мы так и нашли никакого практического применения для этих маленьких машин, и я сам не понимаю, почему меня так заинтересовала проблема сборки микроскопических механических устройств. Я поделюсь с вами своими мыслями и идеями на этот счет, но повторяю – это только игра, и я сам не понимаю своей увлеченности этими игрушками. Я много раз тщетно пытался найти для них какое-нибудь разумное практическое применение, но пока мне это не удалось. Я понимаю свои неудачи, а вы можете шутить по поводу предложений, которые я сейчас выскажу. Договорились?

Прежде всего, давайте задумаемся о том, как мы можем изготовить такие машины? Повторю, что я говорю об очень маленьких, крошечных машинах и устройствах, размеры которых не превышают десяти микрон (одной сотой миллиметра), что в сорок раз меньше того двигателя, который я показывал. Такие машины практически невидимы при рассмотрении невооруженным глазом. Вы почти наверняка удивитесь, но я начну с утверждения, что современная техника позволяет легко (я повторяю, легко!) изготавливать такие устройства. Напомню, что в каждом измерении такой мотор будет меньше двигателя Мак-Леллана в сорок раз, то есть по объему он будет меньше в 64 000 раз! Я уверен, что, используя современную полупроводниковую технику, можно серийно производить такие двигатели, и я сейчас предложу вполне разумную технологию такого производства.

Дело в том, что, применяя обычную технику последовательного напыления слоев кристаллических структур, можно дополнительно вводить слои или участки из веществ, которые могут быть в дальнейшем удалены из структуры (например, химическим растворением или травлением). Такие «вставки» лишь незначительно увеличат размеры изделий, но, комбинируя их в нужном порядке, можно образовать практически любую механическую конструкцию. От технологов требуется лишь научиться напылять участки требуемой формы и размеров из таких материалов, которые позднее могут быть удалены растворением, выпариваем, испарением и т. п. Вспомните, что классическая техника отливки заключается в изготовлении образцов из разнообразных материалов (типа воска), которые позднее растапливаются и вытекают из формы под воздействием жидкого металла. Ничто не мешает нам использовать такой метод и такие материалы для изготовления миниатюрных устройств, а материалы можно по-прежнему условно называть «мягким воском». В процессе напыления вы лепите из этого «воска» структуры требуемой формы, вводите между ними необходимые детали из кремния или двуокиси кремния и т. п., а затем вытапливаете «воск» удобным способом и получаете запланированную микроскопическую структуру. Я уверен, что, комбинируя такие процессы, уже сейчас вполне можно изготовить двигатель, линейные размеры которого будут в 40 раз меньше, чем у двигателя Мак-Леллана.

Вы помните, что я закончил лекцию «Внизу полным-полно места» обещанием приза в 1000 долларов тому, кто первый изготовит работающий электродвигатель с внешним управлением, объем которого не превышает 1/64 кубического дюйма. По тем временам сумма приза была довольно внушительной, но я был холостяком и не очень беспокоился о расходах. Помню, что когда позднее перед вступлением в брак я объяснял невесте свое невеселое финансовое положение, она удивилась и сказала, что не рассчитывала на многое, но и не представляла таких сложностей. Уже после свадебного путешествия я вдруг вспомнил, что обещал еще тысячу долларов за крошечный моторчик. Боюсь, что жена надолго потеряла доверие к моим способностям управлять семейным бюджетом вообще, выслушав в робкие объяснения по этому поводу.

Сейчас, когда я вынужден заботиться о семье и думать о том, как заплатить за уроки верховой езды для дочки и обучение сына в колледже, я не могу, при всем желании, обещать такие призы за достижения в создании микроскопических изделий. К счастью, мистер Мак-Леллан сказал, что изготовил двигатель не ради приза, а всего лишь из желания принять вызов и решить интересную техническую головоломку.