5. Как много места в глубине
В своей знаменитой речи, адресованной Американскому физическому обществу и прочитанной Фейнманом 29 декабря 1959 года в Калтехе, «отец нанотехнологий» говорит о будущем миниатюризации, на десятилетия опередив свое время: как записать всю Британскую энциклопедию на булавочной головке; как радикально уменьшить размеры биологических объектов и объектов неживой природы; как решить проблемы уменьшения размеров смазочных машин, сделав их меньше точки в конце этого предложения. Фейнман заключает свое знаменитое пари, побуждая молодых ученых сконструировать работающий мотор размером не больше дюйма.
Приглашение в новую область физики
Думаю, физики-экспериментаторы должны чаще с завистью вспоминать о таких людях, как Камерлинг-Оннес
[19]. Этот человек открыл целую область физики — физику низких температур, бездонную область, в которую ученый может погружаться все глубже и глубже. Такой ученый — настоящий лидер, обладающий на определенный срок монополией в рискованных научных изысканиях. Перси Бриджмен
[20], открывший способ получения высоких давлений, открыл другую новую область и сделал в ней ряд важных работ, предложив круг исследований в этом направлении. Создание наиболее глубокого вакуума — уже продолжение подобных исследований.
Я хотел бы рассказать еще об одной области физики — физике малых масштабов, в которой в принципе можно создать несметное количество вещей. Эта область не совсем похожа на другие, в ней мы не будем много говорить о фундаментальной физике (в том смысле, что мы не задаем вопроса: «Что такое странная частица?»), она больше похожа на физику твердого тела и расскажет нам много интересного о своеобразных явлениях, которые происходят в сложных системах. Более того, ее важнейшей особенностью является гигантское количество технических приложений.
То, о чем я собираюсь говорить, — это проблема манипулирования и контроля системами малого масштаба.
Стоит мне упомянуть об этом, как все заговаривают о миниатюризации — насколько далеко в этом направлении можно продвинуться в настоящий момент. Мне рассказывают об электромоторах, имеющих размеры наперстка на мизинце. Мне рассказывают, что на рынке существуют приборы, с помощью которых можно записать «Отче наш» на булавочной головке. Ничего подобного нет, это самый примитивный, искаженный шаг в направлении, о котором я намерен рассказать. Загляните в глубину материи — и вам откроется ошеломляюще малый мир. В 2000-м, когда люди оглянутся назад, они будут удивлены, почему до 1960 года никто не начал всерьез заниматься этим направлением.
Почему нельзя записать все 24 тома Британской энциклопедии на булавочной головке?
Давайте посмотрим, как глубоко мы можем продвинуться. Булавочная головка имеет поперечный размер 1/16 дюйма. Если увеличить ее до 25 000 диаметров, область булавочной головки будет равна области всех страниц энциклопедии. Поэтому все, что нужно сделать — уменьшить размер написанного в энциклопедии в 25 000 раз. Можно ли это сделать? Разрешающая способность глаза составляет около 1/120 дюйма — это грубая оценка диаметра одной маленькой точки на мелкой полутоновой репродукции в энциклопедии. Когда вы уменьшите ее до микроскопического размера в 25 000 раз, она еще будет составлять в диаметре 80 ангстрем (1 ангстрем = 10−8 см) — 32 атома в обычном металле. Иначе говоря, каждая из таких точек будет содержать область из 1000 атомов. То есть каждую точку можно подогнать под размер, требуемый фототипией, и даже вопроса не возникает, достаточно ли места на булавочной головке, чтобы разместить всю Британскую энциклопедию.
Более того, ее можно прочитать, если она записана. Представьте, что она записана рельефными металлическими буквами; иными словами, черную краску в энциклопедии мы обозначаем рельефными металлическими буквами, размер которых составляет 1/25000 от обычного размера. Как же мы ее прочитаем?
Если что-то записать таким способом, можно прочитать текст, используя общепринятые сегодня методики. (Несомненно, можно найти для чтения способы и получше, но я придерживаюсь консервативной точки зрения и буду использовать только известные сегодня методики.) Мы запрессуем металл в пластичный материал и поместим его в форму, затем аккуратно снимем пластик, выпарим кремнезем в пластике, чтобы получилась очень тонкая пленка, оттеним ее, рассеивая золото, так что все маленькие буквы отчетливо проявятся, затем удалим пластик из кремниевой пленки и посмотрим сквозь пленку с помощью электронного микроскопа!
Если все уменьшится в 25 000 раз в форме рельефных букв на булавке, нам будет легко это прочитать. Более того, мы легко сделаем копии образца — для этого нужно снова запрессовать такую же металлическую пластину в пластик, и мы получим другую копию.
Как записать малое?
Следующий вопрос: как же мы это запишем? Для этого на сегодняшний день не существует стандартной методики. Давайте поспорим, что это не так трудно, как кажется на первый взгляд. Мы можем перевернуть линзы электронного микроскопа в обратном направлении, чтобы получить уменьшение, равно как в прямом направлении получаем увеличение. Ионный источник, направленный через перевернутые линзы микроскопа, может фокусироваться в очень маленькое пятнышко. Мы можем записывать с помощью этого пятнышка так же, как записываем в телевизионном электронно-лучевом осциллоскопе, двигаясь от края и до края строки и с настройкой, определяющей количество материала, которое должно осаждаться, когда сканируешь строки.
Этот очень медленный метод из-за ограничений пространственного заряда. Существуют более быстрые методы. Можно было бы, вероятно, организовать фотопроцесс с экраном, в котором прорезаны отверстия в виде букв. Затем мы могли бы высекать электрическую дугу за отверстиями и направлять ионы металла через отверстия; а потом мы снова использовали бы нашу систему линз и получили маленькое изображение, образованное ионами, которые будут осаждать металл на булавке.
Может быть, проще другой метод (хотя я не уверен, что он сработает): пропускаем свет через оптический микроскоп в обратном направлении, фокусируем его на очень маленьком фотоэлектрическом экране. Электроны выбиваются с экрана в тех местах, которые были освещены. Эти электроны фокусируются по размеру линзами электронного микроскопа, сталкиваясь непосредственно с поверхностью металла. Будет ли такой пучок вытравливать металл, если у него достаточный пробег? Я не знаю. Если метод не сработает для поверхности металла, должно быть, можно найти какую-нибудь поверхность, с помощью которой удалось бы накрыть булавку таким образом, чтобы в местах бомбардировки электронами произошли изменения, которые мы могли бы позже опознать.
