Xreferat.com » Рефераты по науке и технике » Будущее развитие МЭМС и "сухой" нанотехнологии

Будущее развитие МЭМС и "сухой" нанотехнологии

Виктор Лапай

Украина

Кибержизнь

Любая форма жизни невозможна без переноса веществ. Такой перенос возможен либо путём диффузии, либо путём целенаправленного механического перемещения. Кибержизнь - это жизнь не на химической, броуновской основе, а на основе микророботов.

Первым максимально чётко эту проблему сформулировал американский физик Ричард Фейнман почти пятьдесят лет назад: необходимо создать такой робот, который может построить свою уменьшенную копию. Копия сделает ещё меньшую копию и так далее, до атомного уровня. Жаль, что тогда решение этой проблемы так и не было найдено.

Чтобы найти решение, надо максимально упростить и расширить входную проблему.

Во-первых, анализ показывает, что необходимый нам робот и управляющий ним компьютер можно сделать всего их двух материалов - металла и диэлектрика, то есть, необходимо всего два вида «атомов».

Во-вторых, элементарная частичка системы вовсе необязательно должна быть равна реальному атому. Это может быть «атом» размером 10 нм, или даже микрон, главное, чтобы робот, строя свою копию, сохранил или уменьшил минимальный размер.

Для этого, в третьих, необходимо заострить строительную иглу робота. Существует несколько способов, как это сделать, один из которых был теоретически найден и экспериментально подтверждён в лаборатории персонально автором. Это очень важный момент, потому что именно он даёт ключ к решению проблемы, ведь при строительстве копий используется только кончик строительной иглы.

Наипростейший робот Фейнмана может иметь вид мягкой металлической спиральной пружинки со строительной иглой на конце, с трёх сторон которой (пружинки) размещены управляющие электроды. В зависимости от разницы потенциалов между пружиной и электродами, она растянется и изогнётся в необходимом нам направлении.

Уже сам по себе микроробот есть прототип электромеханического транзистора, точнее, несколько упрощенная его конструкция. Автоматически возникающие в этой схеме диффузионные проблемы вполне решаются. Теоретически существуют, так же, другие схемы МД - транзисторов без движущихся частей.

Предварительные расчёты показывают, что даже такая простая форма кибержизни может существовать в природе. При разогреве микророботами строительного материала постоянным током на катоде выделяется металлоиды, на аноде окислители и накопится диэлектрическая фаза.

От такой простой формы до полноценной кибержизни лежит такой же сложный путь, как от наипростейшего вируса до сине-зелёной водоросли. Если хорошо подумать, то полноценная киберклетка, используя солнечную энергию и атомы окружающей среды, окажется очень похожей на обычную биологическую, только она сможет успешно функционировать при очень низких температурах и в условиях высокого вакуума. Микророботы станут похожими на биологические микротрубочки, самое компактное хранение и обработка информации – на свёрнутых линиях-аналогах ДНК и т.д. На микророботах появятся специальные молекулярные насадки. Электрический ток или давление может инициировать необходимые химические реакции даже при очень низких температурах.

Между кибернетической и химической формами жизни есть непосредственная связь, хотя это две принципиально разные формы жизни. В условиях высоких температур и растворяющей жидкости становятся ненужными микро роботы, от них остаются только изменённые молекулярные насадки. Система делает качественный скачок и становится химической. Тем не менее, она все равно остаётся, по сути, электромеханической, так как любое химическое взаимодействие есть взаимодействие смещённых зарядов. Туннельный эффект не позволяет кибержизни достичь такого максимального уровня миниатюризации, каким характеризуется биожизнь.

Биологическая жизнь есть вершина совершенства и миниатюризации кибернетической жизни. Усовершенствовать её, а тем более миниатюризировать, практически невозможно.

Вполне возможно, что вероятность зарождения кибержизни во Вселенной намного больше, чем у химической. Ведь, даже на поверхности Луны есть вполне достаточно диэлектрических и металлических частичек (это фактические данные), которые достаточно активно движутся - неплохие условия для зарождения и развития кибержизни. Впрочем, это совсем не означает, что она кипит во Вселенной. Напротив, вероятность зарождения любой формы жизни настолько мала, что искать её за пределами планеты Земля - это только зря тратить время и деньги.

Вполне может быть, что по каким-то причинам кибержизнь не может самостоятельно существовать в природе. Но это не означает, что она не может существовать в искусственных условиях, созданных человеком. Именно такая, максимально упрощённая, форма кибержизни лежит в основе разработанной автором металл-диэлектрической технологии. Эта технология базируется исключительно на экспериментальных данных и есть, по сути, логичным развитием в третье измерение технологии Микро Электро Механических Систем (МЭМС).

Металл-диэлектрическая технология (МД - технология)

Первоначальная идея «размножающихся микророботов» слишком сложна и сыра, чтобы быть реализованной на современном уровне технологического развития. Сначала её надо максимально упростить. Чем проще система, тем больше шансов её реализовать.

Во-первых: Надо избавится от микророботов. Они значительно усложняют и тормозят весь процесс. Выращивание копий будет за счёт колебательных движений основы по принципу строчной развёртки. Это значительно ускоряет процесс.

Во-вторых: Надо ускорить подачу строительного материала и отвода отходов. Наиболее просто это сделать для жидких и газообразных компонентов через систему каналов.

В-третьих: Ни одна электромеханическая система не может соперничать в быстродействии с чисто электронной схемой. Управляемый электрический ток между строительной иглой и основой позволяет максимально быстро и точно осуществить массоперенос или осаждение необходимых веществ. В этом случае автоматически возникает проблема диэлектрика, который не проводит ток. Эта проблема имеет решение.
В основе МД-технологии лежит очень простая идея. Предположим, что нам каким-то образом удалось вырастить систему алюминий-золото-вакуумные каналы. Мы получим необходимую нам МД-структуру всего после одной операции химического окисления, так как золото не окисляется, а оксид алюминия прекрасный диэлектрик. Эту идею возможно развить далее. Возможно применить только один металл и полимерный, а не ионный, диэлектрик. Микророботы исчезают, остаются только МД-транзисторы.

Парадоксально, но сначала даже они не понадобятся. Вполне работоспособным может быть даже неполноценный вариант МД-технологии - без МД-транзисторов. Предварительные расчёты показывают, что плотность и быстродействие полупроводниковых транзисторов уже достигли величин, достаточных для эффективного управления выращивания МД-структур даже при минимальной ширине линии, ведь этот процесс всё ещё остаётся плоским. Базовые элементы, выращенные на микросхеме, могут, в свою очередь, на других микросхемах вырастить намного более сложные объёмные МЭМС с гораздо более меньшей шириной лини, чем сейчас.

Такая «гибридная» схема наиболее близка к современной технологии МЭМС и будет реализована на первом этапе. Более того, такая схема может кардинально изменить даже саму технологию создания полупроводниковых схем. Строительные иглы могут локально осуществить массоперенос, разогрев и травление - все необходимые операции. Технология МЭМС уже давно создала работоспособные электромеханические транзисторы, что позволяет реализовать и полноценный вариант МД-технологии.

Очевидно, что МД-технология невозможна без заострения строительных игл. Этот процесс играет здесь такую же ключевую роль, как уменьшение фотошаблона линзами или фокусировка электронного луча в планарной технологии. Мощность МД-технологии в том, что её базовые элементы, как и любая другая форма жизни, могут размножаться экспоненциально. Поэтому даже при возможной значительной коррозии базовых элементов и других проблемах эта схема остаётся работоспособной. Первые такие «клетки» микронных размеров будут сделаны иглой туннельного микроскопа.

Туннельный эффект ограничивает толщину диэлектрика значением 5-10нм. Плотность элементов в таком компьютере достигнет значения 1020-1021 м-3. В зависимости от размеров, конструкции, рабочего напряжения электромеханических транзисторов их быстродействие составит10-4 - 10-9с., для неподвижных модификаций до 10-11с. Потребление энергии на одно переключение составит 10-8-10-18Дж. Скорость выращивания полыми электродами достигнет 10-6-10-5м/с. и будет лимитироваться отводом тепла.

В наипростейшем варианте МД-технологии объёмный компьютер сначала будет всего-навсего куском тугоплавкого металла с многочисленными порами разного размера. Строго дозированная операция химического окисления и, возможно, травление, преобразует его в необходимую нам МД-структуру. Потом поры заполняют специальными веществами и компьютер готов к действию. Существует несколько конкретных кандидатов на эти процессы. (В действительности, всё так просто только на бумаге. Возможно, будет использовано больше компонентов и большее число операций обработки основы.)

Технология МЭМС экспериментально подтвердила теоретические основы МД-технологии. Целесообразно использовать в МД-технологии материалы и химические способы обработки основы технологии МЭМС, постепенно уменьшая ширину линии от уже освоенной до минимальной 0,005 мкм. Необходимо развивать дальше уже полученные в «сухой» нанотехнологии способы массопереноса и искать новые, например, электрохимию.

Хочу подчеркнуть, что даже максимально упрощённая проблема кибержизни остаётся достаточно сложной научной проблемой, поэтому не удивительно, что другие пути пока ещё не дали желаемый результат. Двадцать лет нанотехнологии наглядно это продемонстрировали.
Разработка МД-технологии требует большого объёма экспериментов и решения многочисленных проблем. Но и прибыль ожидается соответствующая. Это рынок на десятки и даже сотни миллиардов долларов в год.

Применение МД-технологии

Вполне возможно создать электромеханические транзисторы с двумя или тремя устойчивыми состояниями. Это почти идеальные ячейки памяти, только довольно медленные. Гибридные микросхемы сделают запись и считывание многоканальной и ускорят её до 108-109 Гц. Такие объёмные ОЗУ вытесняет сначала все аудио, а потом и видео носители информации, не говоря уже о компьютерах.

Вполне возможно создать электромеханические транзисторы с очень маленьким потреблением энергии до 10-18Дж и меньше. Хотя этот результат достигается за счёт значительного уменьшения быстродействия, но в большинстве практически значимых случаев важна параллельная, а не последовательная вычислительная мощность компьютера. Именно так работает мозг человека. При уменьшении ширины линии до минимальной, объёмный компьютер с такими транзисторами по всем параметрам превзойдет мозг человека. Даже такая простая форма искусственного интеллекта, как электронный водитель, может дать значительную прибыль.

МД-технология захватит значительную часть потенциального рынка МЭМС. Это плоские мониторы, медицинские микромашины, микросборка, сортировка и многое другое. Будут созданы мощные, компактные, экономные трансформаторы постоянного и переменного тока, выпрямители, преобразователи частоты. Также возможно создание структур с развитой контролированной поверхностью, аккумуляторы, топливные элементы, химические реакторы.

Но всё-таки самым мощным применением МД-технологии станет электростатический двигатель. Это мощный, экономный двигатель плёночного типа без трения и механических контактов. В принципе, его возможно создать и с помощью планарной технологии. Если работает плоский телевизор, то будет работать и электростатический двигатель. Его КПД составит 99-99,9%, рабочее напряжение 10000-1000 В и меньше, касательное давление – 105 Па и больше, скорость движения превысит 100 м/с. Гибкий ротор двигателя разбит на небольшие автономные кусочки, которые могут подстраиваться в процессе движения под неизбежные небольшие неровности статора. Только таким способом возможно сочетать субмикронную точность и метровые линейные размеры двигателя, игнорируя вибрации и перекосы. Разработка теории двигателя требовала значительных усилий и решения нескольких принципиальных проблем. Это наилучшее моё изобретение и я горжусь им даже больше, чем решением проблемы кибержизни.

Для примера, рассмотрим применение этого двигателя в автомобиле: Произойдет замена аккумулятора на маховик на электрической подвеске, колёса станут двигателями, экономичная активная подвеска, в будущем генератор и стартер объединятся непосредственно на поршне. Тепловой двигатель станет экономней и проще, все механические связи заменят электронные, не говоря уже о таких «мелочах» как активные кресла, двери и т.д. Торможение и ускорение в максимальном режиме на любой рабочей скорости и наклоне трассы, за счёт рекуперации энергии расход топлива в городском цикле уменьшится до 2-4л. на 100 км. Всё это может стать реальностью.

Вершиной развития МД-технологии станет создание кибернетических организмов. Применяя только металл и диэлектрик, возможно вырастить почти полноценный киберорганизм с многочисленными датчиками давления и температуры, вестибулярным аппаратом, зрением и слухом, отличной координацией движения, развитой нервной системой, мощными мышцами и интеллектом. Необходимо только добавить обоняние и вкус. Рынок домашней прислуги огромен и может превысить рынок автомобилей. Может стать реальностью угроза создания самого страшного оружия - библейской «железной саранчи». Размножаясь, она сожрёт всё живое на Земле и необратимо загадит атмосферу дымом.

Главное, что МД-технология создаст все необходимые условия, (микророботы и объёмные компьютеры) для перехода на следующий этап научно-технического развития - создания молекулярной машины.

Молекулярная Машина

Через двадцать, максимум тридцать лет после начала интенсивных исследований в нужном направлении на Земле настанет новая эра - эра Молекулярной Машины. За дверями с такой вывеской в строении солидных размеров, человека усыпят, охолодят или, даже, заморозят и поместят в специальную камеру. Как только двери камеры закроются, на тело надвинется одна из её стенок, разрывая его на микронные кусочки. Всем этим займутся роботы микронных размеров. Двигаясь с помощью электрических полей, они, как экскаваторам, вырвут и перешлют в глубь стенки эти кусочки, где те мгновенно замёрзнут и поступят в анализатор. Там другие микророботы со специальными молекулярными насадками или без них, приблизительно за десять минут разберут их на молекулы или атомы. Они промеряют, как в атомно-силовом микроскопе, размеры каждой молекулы, на этом основании определяя их химический состав, и параллельно их рассортируют.
Полученная таким образом информация о строении человеческого тела поступит в чрезвычайно мощный объёмный компьютер, где будет сильно сокращена и сжата. Хотя, в результате такого варварского вскрытия часть информации будет утрачена, благодаря тому, что полученные кусочки меньше размеров клеток, а все химические соединения в организме человека продублированы, достаточно легко можно будет определить биологический вид каждой клетки, её химический состав и её связи с другими клетками. В целом душу человека можно полностью описать 1016-1020 бит информации, а при максимальном её сжатии - 1011-1012 бит.

Процесс сборки пойдёт обратным путём. На основании полученной от компьютера информации, роботы-анализаторы соберут из молекул поликристаллические кусочки плоти с минимальным количеством радикалов (то есть разорванных молекул) на стенках. После сборки из этих кусочков замороженного человека, тело постепенно, на протяжении многих часов, разогреют до нормальной температуры. При выполнении определённых условий, человек даже может и не почувствовать, что прошёл молекулярный анализ.

Для некоторых холоднокровных организмов размораживание обычная вещь, с теплокровными сложнее. Учёные считают главным условием успеха достаточно маленькие кристаллики льда и неповреждённые биомолекулы. Очевидно, что эти и другие условия легко выполнить в процессе сборки. Даже если при заморозке биомолекулы будут частично повреждены, это никак не повлияет на успех молекулярного анализа. Те, кто при жизни или сразу после смерти был заморожен по специальной технологии, имеют все шансы совершить удачное путешествие в будущее.

Последствием создания молекулярной машины будут просто грандиозными. Самое главное - это абсолютное бессмертие. Действительно, предположим, вы прошли молекулярный анализ, и попали в авиакатастрофу - ничего страшного, вас восстановят по последней копии. Чем чаще проходить молекулярный анализ, тем меньшими будут провалы памяти в случае внезапной смерти, а если в мозге будет работать что-то, похожее на радиотелефон, то потери информации станут минимальными. Кроме этого, радиопередатчик позволит избежать дублирования. Усовершенствованная память даст возможность жить, ничего не забывая, миллиарды лет, то есть - практически вечно. Другой вопрос - зачем жить так долго? Но мы сейчас рассматриваем возможности научно-технического прогресса, а не его последствия.

Молекулярная машина позволит как угодно, вплоть до физических ограничений, изменять сначала физические, а потом психические и интеллектуальные параметры человека. Можно будет как угодно изменить свою внешность, стать молодым, старым или ребёнком, мужчиной или женщиной, даже превратиться в животное *, или вообще, не в биологический, а кибернетический организм. Легендарная Панацея- средство от всех болезней, имеет название «Молекулярная Машина». Вполне возможно, что таким образом удастся сделать любую вещь и еду.
Только молекулярная машина станет мостиком между реальным и электронным миром. Современная виртуальная реальность только грубая пародия на то, что нас ожидает в будущем. Нулевые фононные компьютеры * создадут миры, полностью подобные реальному, но в то же время полностью подвластные людям. Возможности человека в электронных мирах настолько фантастичны,

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: