МЭМС - микроэлектромеханические системы

Предшественники будущих наноэлектромеханических систем, НЭМС (NEMS), уже существуют. Микротехнология создает удивительные микроэлектромеханические системы - МЭМС (MEMS).

В 80е гг. XX в. на базе достижений полупроводниковой промышленности, в первую очередь на базе метода литографии, в ведущих научных и промышленных лабораториях начали разрабатывать реальные по технологии и стоимости микромеханические детали и изделия. Одним из первых достижений стали сенсоры ускорения, устанавливаемые в подушках безопасности автомобилей. Впервые они появились в 1993 г., сейчас автомобильные фирмы закупают их примерно на 50 млн долларов в год. Гироскопические наносенсоры осуществляют задачи навигации, наведения ракет на цель и пр. Недавно такой «процессорный гигант», как компания «Intel», публично заявила о стратегической важности МЭМС и своем интересе к ним. В последние годы объем мировых продаж МЭМС изделий составил 10% от продаж изделий «традиционной» электроники. Основные изделия МЭМС характеризуются минимальными размерами, минимальной стоимостью, надежностью в эксплуатации, низкой потребляемой энергией и массовостью производства.

Отдельные изделия МЭМС (различные микросенсоры, насосы, моторы) не видны невооруженным глазом. Компания «Sharp» изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 мкм. Ряд ведущих компаний сообщили о создании чипов, в которых будут совмещены антенны, фильтры и соответствующий логический блок. В качестве источников энергии микророботов могут использоваться разработанные электрические батареи размером 1 мкм, а известная фирма «Sandia» (США) разработала микромашинный процесс получения чипов такого же размера. Это позволило компании к 2000 г. построить модель автономного робота размером в несколько сантиметров. Робот - машинка с полимерным каркасом имела шесть колес и гусеничный ход, два электромотора, процессор емкостью памяти 8 Кб, датчик температуры, химический сенсор, видеокамеру, микрофон и три батарейки от часов. Именно размер батареек лимитировал размер миниробота. Важно, что изготовлен робот из коммерчески доступных компонентов. Планируется использовать его для поиска и обезвреживания мин, опасных биологических и химических веществ, разведки. Остается проблема - малая емкость батарей.

Американский миниатюрный самолет «Черная вдова» имеет вес 80 г, размах крыльев 15 см, высоту полета 230 м, время в полете 30 мин, дальность полета около 2 км, скорость 70 км/ч, КПД двигателя 82% . Самолет оснащен двумя видеокамерами (в оптическом и ИК диапазоне) весом по 2 г с радиусом передачи изображения 2 км.

В Массачусетском технологическом институте - одном из лидеров нанотехнологии - разрабатывается серия микророботов NanoWalkers («наноскороходы»). Основной принцип их применения - переход от конвейерного метода сборки деталей к «муравьиному», когда недорогие мобильные роботы - сборщики все вместе трудятся над неподвижной микродеталью (возможно - их будущим собратом). Роботы перемещаются на пьезокерамических ножках, которые могут удлиняться и укорачиваться, гнуться внутрь и наружу, в зависимости от электросигнала. Роботы делают около 18 тыс. шажков в секунду, причем эти шажки могут быть от 2 нм до 50 мкм. При быстром темпе они бегают быстрее тараканов. Подзаряжаются роботы - сборщики на специальной поверхности с чередующимися полосами разного по знаку электрического напряжения. Связь с ними осуществляется через цифровую камеру и инфракрасную систему на верхушке корпуса робота. Основное - добиться точности в работе, поэтому скороходы оснащены не только манипуляторами для микронной сборки, но и сканирующими зондами.

В этом же институте разрабатывают модель микроробота - хирурга для внутриполостных и внутрисосудистых операций

Группа европейских ученых создала микроробота - искусственного таракана. Он даже пахнет как таракан, а главное - имитирует мельчайшие особенности «этикета» тараканьего сообщества. Поэтому микроробот был воспринят этим сообществом как «свой», хотя внешне это микроящичек на колесиках. Все тонкости поведения и специфику запаха ученым пришлось изучать в течение трех лет и имитировать у микроробота. Цель эксперимента - получить возможность руководства группой различных животных за счет искусственного лидера.

Задача создания микророботов упрощается, если они предназначены для стационарных работ и ими можно управлять с помощью проводной связи. Международная кооперация европейских ученых создала роботов для манипуляций клетками на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах СТМ. Их орудия труда - микропипетки, микрозажимы. Оператор щелкает указателем мышки по изображению на мониторе конкретной клетки, робот находит эту клетку, засасывает в микропипетку, переносит в нужное место и выпускает. В другом варианте два микроробота удерживают указанную клетку и вспрыскивают в нее нужный реагент. Все операции занимают секунды.

«Умная пыль»

Министерство обороны США с помощью знаменитого университета в Беркли (Калифорния) запустило программу «Умная пыль», цель которой - создание объединения микро (в будущем - нано) устройств датчиков, достаточно автономных, способных общаться между собой и с центром управления. Множество таких «умных пылинок» может незаметно оседать на любой объект и передавать согласованную информацию в центр. Микродатчики «умной пыли» могут осуществлять непрерывный мониторинг окружающей среды, предсказывать приближающиеся катастрофы и террористические акты и, конечно, использоваться в военных целях. Сообщения от оператора меняют программу поведения микроробота. Система может быть «встроенной» (например, осуществлять мониторинг кровообращения и давления человека, мониторинг качества продуктов); может участвовать в слежении за миграцией птиц.

Для системы учеными Беркли создана уникальная сверхминиатюрная микросхема-радиопередатчик, которая в 50 раз меньше чипа сотового телефона и потребляет в 1000 раз меньше энергии. Проблема энергопитания в этом и во многих других случаях является ключевой. В некоторых устройствах предусматриваются как солнечные батареи, так и резервные аккумуляторы. Необходимость бережного потребления энергии заставила использовать ряд оригинальных технологий, при которых сигнал пылинки в несколько сот микроватт требует мощности в несколько милливатт. Для запуска в производство «умной пыли» основана специальная компания «Dust Inc». На рисунке 8.2 приведены некоторые из разрабатываемых моделей «умной пыли» для воздуха и воды.

После того как по проекту были сделаны первые сообщения, во многих странах появились аналогичные проекты «умной пыли», в частности для автоматизации создания условий жизнедеятельности в офисе, жилом помещении и пр. Перспективным будет применение «умной пыли» в ближнем космосе: вывод в космос роя малых и сверхмалых спутников обойдется дешевле, чем одного большого, а потеря одного из членов роя из-за «космического мусора» или солнечной вспышки не приведет к нарушению работы роя в целом.

Наномоторы

При создании НЭМС, в частности наномоторов, исследователи в поисках вариантов, естественно, обратились к живой природе, где многие процессы идут на наноуровне и можно использовать уже имеющиеся компоненты биологических систем. К тому же эволюция привела к хорошим техническим характеристикам биологических моторов. Видимо, очень перспективными окажутся гибридные устройства, в которых будут сочетаться технические элементы с элементами живых систем. Использование методов генной инженерии и биотехнологии окажется при этом весьма полезным.

В частности, было предложено несколько вариантов наноактюаторов на основе ДНК. В одном из них к концу молекулы ДНК прикрепляется светоизлучающая органическая молекула, а к другому концу - светопоглощающая. Молекула ДНК, поочередно поглощая и излучая свет, то сворачивается, то разворачивается.

В другом варианте использовали фрагменты ДНК с «липкими концами» и создали двуногий шагающий наноробот. Он шагает за счет того, что поочередно присоединяет и отсоединяет ноги, представляющие собой фрагменты ДНК, к основанию, тоже состоящему из ДНК. В растворе плавают миллионы таких нанороботов. Внешне робот похож на щипцы для конфет: две двухцепочечные ДНК ноги длиной около 10 нм, упруго соединенные вверху (рис. 8.3). Каждая нога состоит из 36 нуклеотидных пар с обычной последовательностью: аденин напротив тимина и гуанин напротив цитозина. Со свободных концов ног свисают совсем коротенькие одноцепочечные обрывки ДНК («липкие концы»). Робот ступает по особым опорам, тоже состоящим из ДНК, но не комплементарным кончикам ног. Поэтому без дополнительных обрывков ДНК - «якорей» он не держится на ногах. В начальный момент робот зафиксирован двумя одноцепочечными спиралями ДНК - «якорями», которые с одной стороны комплементарны окончаниям ног, а с другой - вершине опоры. Этому соответствует позиция 1 на рисунке 8.3. Затем свободно плавающая в растворе спираль ДНК, изображенная на рисунке белым элементом, вступает с правым якорем в химическую связь и «уводит» его. Незакрепленная нога зависает над следующей подставкой, где ее подхватывает очередной «якорь» (позиция 4). Затем эта ситуация повторяется с левой ногой, и робот делает полный шаг.

В начале эксперимента в растворе плавали только «щипцы» и опорные молекулы.

После добавления «якорей» роботы встали на ноги. После добавки «разъякоривающих» молекул нанороботы зашагали.

Заметим, что комплементарность цепей ДНК сейчас активно обыгрывается при составлении различных плоских и трехмерных искусственных конструкции, а также в медицинских приложениях нанотехнологии.

Было предложено использовать для сборки наномашин комплементарность белков, располагая их соответственно на деталях машин и на поверхность микроорганизмов.

Биологии известны белковые двигатели в живых клетках. Важно, что в качестве горючего эти наномоторы используют универсальное химическое топливо всего живого - аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Природа энергии, необходимой наномотору, - отдельная проблема. Это может быть энергия лазерного излучения, солнечная энергия, переменное электрическое напряжение. Но, например, для наноробота, чистящего кровеносные сосуды от отложений холестерина, нужен автономный и постоянный источник питания, и естественно попытаться использовать АТФ.

В одной из транспортных систем живой клетки по трубочкам, сложенным из белка тубулина, бегают нанодвигатели, состоящие из белка кинезина, перевозя молекулы липидов и белков. Исследователи обратили этот процесс, заставив нанодвигатели, закрепленные на стекле, передавать друг другу трубочки, как лежащие на спине акробаты передают друг другу предметы ногами (рис. 8.4). Чтобы разместить нанодвигатели на поверхности стекла упорядоченными рядами, стекло предварительно обработали полимером тефлоном, и его длинные молекулы расположились подобно грядкам с бороздками. Затем капнули на стекло раствор с кинезиновыми белками, которые разместились в этих бороздках между грядками. Когда к ним добавили немного нанотрубочек, окрашенных флуоресцирующим соединением, и каплю источника энергии - АТФ, то под микроскопом стало видно, как наномоторчики передают друг другу по прямой нанотрубочки. Считается, что подобные системы могут стать основой контейнеров для сборочных линий наноустройств. Удалось измерить силу тяги одной молекулы кинезина - 5-6 пкН, что примерно равно силе давления света лазерной указки. Но в наномасштабе такое значение силы является достаточно ощутимым. В другом случае двигатель был создан непосредственно на биологическом наномоторе, связанном с синтезом АТФ. АТФаза - это универсальный энзим, существующий практически в любом живом организме, сложный комплекс из нескольких белков, имеющий вид столбика диаметром и высотой около 12 нм (рис. 8.5, а). По мере того как через часть АТФазы протекают протоны, возникает вращение ее центральной части вокруг оси и идет синтез АТФ. Если же на этот моторчик подавать АТФ, процесс идет в обратную сторону: совершается гидролиз АТФ и моторчик вращается (в обратную сторону). Исследователи методами генной инженерии внесли два изменения в белки АТФазы. Одно изменение позволило прикрепить нанодвигатели к наноостровкам из никеля, напыленным на стекло: цилиндрики встали на них вертикально. За счет другого изменения приклеили пластмассовые шарики к верхнему концу центральной оси биомоторчиков. Капнув раствор с АТФ, исследователи наблюдали под микроскопом вращение шариков (рис. 8.5, б), которое продолжалось более двух часов.

В другом аналогичном исследовании был оценен коэффициент полезного действия такого наномотора. Он оказался близок к 100%, т. е. существенно выше, чем для всех изобретенных человеком двигателей. «Если бы этот двигатель был ростом с человека, - писали исследователи, - он мог бы вращать деревянный столб длиной около 2 км с частотой 1 с^-1».

Часть исследователей заинтересована в использовании в качестве актюаторов для наноробототехники бактериальных жгутиковых моторов.

Некоторые виды бактерий плавают со скоростью больше 10 мкм/с, а частота вращения жгутиков может превышать 1000 с^-1. При этом биомоторы бактерий очень экономичны.

С точки зрения источника энергии перспективен недавно полученный микроробот размером в половину диаметра человеческого волоса, в котором используется культура мышечной ткани в питательной среде из глюкозы. Робот состоит из кремниевой дуги, к нижней стороне которой прикреплены слои сердечных мышц из сердца крысы, выращенные в чашке Петри с глюкозой. Пока мышцы наращивались, дуга была закреплена, затем ее освободили, и «мускулобот» начал ползать со скоростью до 40 мкм/с. Сокращения мышц сгибают дугу, делая ее то уже, то шире, это вызывает движение робота (рис. 8.6). Использование в МЭМС и НЭМС живых мышц решает некоторые медицинские задачи и задачи обслуживания космических кораблей, в том числе оперативный ремонт их обшивки. Исследования «мускулоботов» активно финансируются NASA.

Существует целый ряд проектов нанодвигателей, основанных на различных физических эффектах. Проекты создаются с помощью компьютерного моделирования, учитывающего результаты некоторых предварительных экспериментов. Так были проведены опыты по вращению нанометровых стеклянных стерженьков в вязкой среде под действием луча лазера, а затем рассчитана общая модель такого мотора. Частота вращения оказалась порядка 1 ГГц. Рассчитан наномотор из двух концентрических наноцилиндров, один внутри другого, один служит ротором, другой - статором. Как источник энергии используется лазер.

Оригинальный проект предложен в 2000 г. израильскими физиками. Три наночастицы лежат на поверхности, связи между ними условно изображены пружинками (рис. 8.7). Пусть длина во времени, причем между колебаниями первой и второй пружинок имеется связей периодически изменяется сдвиг по фазе. Тогда система в целом начнет двигаться аналогично движению червяка. На рисунке 8.7 изображены последовательные стадии такого движения. Система может двигаться не только по горизонтальной, но и по вертикальной плоскости и тащить некоторый груз. Если три частицы объединить в кольцо - получится нанометровый ротор. В качестве пружинок могут ступать, например, фотохромные молекулы. Заметим, что такой двигатель может быть применим и в макроварианте, так что развитие нанотехнологий дало неожиданный вклад в макроскопическую механику.

Аналогичный наномотор предложен для плавающего наноробота (например, в человеческом теле с целью доставки нужного лекарства в определенные его участки).

Создан своеобразный конвейер по перемещению атомов металла вдоль углеродной нанотрубки, к которой приложено слабое электрическое напряжение (рис. 8.8). Это более простой способ перемещения атомов, чем с помощью АСМ.

Проблемой во всех случаях является броуновское движение, в котором участвует такая маленькая система, как наномотор. Поэтому воздействие источника энергии должно существенно превышать эффект от броуновского движения. В частности, был предложен наномотор, где две углеродные нанотрубки являются статором, а наночастица (в опыте молекула ДНК) - ротором. Наночастица вращается между нанотрубками в зазоре шириной около 10 нм под действием переменного электрического поля с амплитудой напряжения 1 В. Большое для наномира значение напряженности электрического поля нивелирует эффект броуновского движения.

Недостатком нанороботов с биологическими деталями является их уязвимость к внешним воздействиям, прежде всего к температуре. Поэтому в одних ситуациях окажутся предпочтительней биомоторы, а в других - например, при очень низких или очень высоких температурах, вакууме, излучении - электромеханические наномоторы.

Был создан чисто электромеханический наномотор (рис. 8.9) с общим диаметром около 400 нм. Сто миллионов таких приборов можно поместить на булавочном острие. Ротор толщиной 5-10 нм выполнен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке. Статоры тоже выполнены из золота и закреплены на кремниевой подложке. И ротор и электроды статора были нанесены на кремний с помощью электроннолучевой литографии, затем под ротором слой кремния удален. По данным электронной микроскопии частота вращения наномотора при переменном напряжении на электроде не менее 30 с^-1.

Существует еще ряд проектов нанодвигателей [1].

В разных наномоторах, как и в макроскопических механизмах, реализуется поступательное, вращательное или колебательное движение.

Нанопереключатели

В некоторых случаях в наноустройствах и нанодвигателях необходим нанопереключатель. В одной из работ в качестве переключателя предложена молекула, которая поднимает одну из «ножек» под влиянием щупа АСМ. Японские ученые разработали атомный переключатель, выгодно отличающийся своей простой и надежной методикой изготовления. Переключатель состоит из серебряного наномостика между двумя проводами из платины (Pt) и сернистого серебра (Ag₂S) (рис. 8.10). При смене полярности подаваемого на провода напряжения резко меняется проводимость. Это обусловлено тем, что серебряный мостик вырастает на Ag₂S в случае положительного потенциала на нем, а при смене полярности (положительный потенциал имеет Pt) исчезает. Переключатель может работать на частотах вплоть до 1 ГГц.