Атомная сборка и перестановка атомов

И наконец, я рискну предложить вам еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать в требуемом порядке атомы -- именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира! Что произойдет, когда мы научимся реально выстраивать или укладывать атомы поштучно в заданной последовательности? (Разумеется, при этом будут сохраняться какие-то ограничения, поскольку вы не можете, например, уложить атомы в структуру нестабильного химического соединения.) На протяжении всей своей истории человечество старательно добывает из недр Земли минералы, перерабатывает их в огромных количествах и изготовляет из них разные предметы. Мы заботимся о химической чистоте веществ, о составе и количестве примесей и т.д., однако при этом мы всегда работаем с тем набором и распределением атомов, которые предоставляет нам природа. Например, у нас нет возможности изучать или использовать вещество с «шахматной» структурой, где атомы примесей аккуратно располагаются на расстоянии 1000 ангстрем друг от друга. Мы даже не очень задумываемся над тем, что можно сделать со слоистой структурой, состоящей из правильно уложенных слоев атомов. Какими свойствами, вообще говоря, могут обладать материалы, построенные из атомов, которые мы сами будем располагать в заданном порядке? Это очень интересный вопрос с точки зрения чистой теории, и я уверен (хотя, конечно, об этом нельзя пока сказать ничего определенного), что, научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты. Предположим, например, что мы создали кусочек вещества, внутри которого сформированы маленькие электрические цепи из конденсаторов и катушек индуктивности (или их твердотельные аналоги). Такие цепи, размером от 1000 до 10 000 ангстрем, можно снабдить антеннами, и, будучи взаимосвязанными, они могут покрывать довольно значительную площадь. Системы этого типа, но обычного размера уже сегодня широко используют для излучения радиоволн, поэтому есть вероятность, что аналогичный набор «атомарных» антенн будет излучать световые волны или даже точно направленные пучки света (я не исключаю, разумеется, и того, что подобные устройства могут оказаться совершенно бесполезными по экономическим или техническим причинам). Когда я думаю о сверхмалых электрических цепях, наиболее важными мне представляются проблемы, связанные с электрическим сопротивлением. Дело в том, что с уменьшением размеров цепи ее собственная частота возрастает (поскольку длины волн собственных колебаний уменьшаются), однако толщина поверхности, так называемого скин-слоя, при этом уменьшается пропорционально лишь квадратному корню из характерного размера, вследствие чего при расчете сопротивления должны возникать дополнительные сложности. Впрочем, не исключено, что эти проблемы удастся решить, используя какие-либо специальные технические приемы (сверхпроводимость при достаточно низкой частоте и т.п.). При переходе к изучению самых маленьких объектов предлагаемого типа (например, электрических цепей, составленных из нескольких атомов) мы сталкиваемся с кучей разнообразных явлений, создающих новые возможности. Поведение отдельных атомов подчиняется законам квантовой механики и не имеет аналогов в макроскопическом масштабе, поэтому «внизу» мы будем постоянно наблюдать новые закономерности и эффекты, предполагающие новые варианты использования. Например, очень вероятно, что в мире атомов вместо привычных электрических цепей мы научимся работать с квантовыми уровнями энергии, с взаимодействиями квантовых спинов и т.п. Кроме того, при достаточном уменьшении масштаба мы сможем организовать массовое производство абсолютно одинаковых изделий или деталей. Вспомните, что мы никогда не умели создавать крупномасштабные механизмы с совершенно одинаковыми размерами. Однако если вам удалось изготовить машинку из заданного числа атомов (например, точно из 100 штук атомов в высоту), то ничто не мешает вам изготовить еще одну точную копию, укладывая буквально то же число атомов в требуемом измерении! На атомарном уровне мы сталкиваемся с новыми физическими силами, с новыми эффектами и новыми возможностями, поэтому и проблемы производства или воспроизводства веществ, материалов и изделий должны выглядеть совсем по-иному. Меня, в частности, вдохновляют возможности, заложенные в биологических явлениях и процессах, когда под воздействием химических сил возникают весьма сложные и неожиданные структуры (например, автор этой работы!). Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции. И наконец, размышляя в этом направлении, мы доходим до проблем химического синтеза. Химики будут приходить к нам, физикам, с конкретными заказами: «Слушай, друг, не сделаешь ли ты молекулу с таким-то и таким распределением атомов?» Сами химики используют для изготовления молекул сложные и даже таинственные операции и приемы. Обычно для синтеза намеченной молекулы им приходится довольно долго смешивать, взбалтывать и обрабатывать разные вещества. Как только физику создадут устройство, способное оперировать отдельными атомами, вся эта их деятельность станет ненужной и они смогут просто заказывать у физиков требуемые структуры. Мне представляется особенно интересным то, что физики действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из написанной на бумаге формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики М просто «укладывать» атомы в нужном порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне (а я убежден, что этого нам не избежать) позволит решить огромное число проблем химии и биологии. Конечно, вы вправе спросить у меня: «А зачем, собственно, мы должны заниматься этими странными проблемами?» Можно перечислить целый ряд важных экономических предпосылок, однако я лично убежден, что мы, физики, могли бы решать такие задачи просто ради интереса или забавы. Давайте начнем с забавы! Устроим соревнование между институтами и лабораториями, и пусть, например, одна лаборатория посылает другой крошечный электродвигатель, а затем получает его обратно с каким-то усовершенствованием или с дополнительной микродеталькой, добавленной в конструкцию рабочего вала. Для развлечения и повышения общего интереса к предлагаемым исследованиям я бы рекомендовал организовать небольшой конкурс среди учащихся университетов и колледжей. В конце концов, с чего-то следует начинать, а молодежь вполне можно заинтересовать, например, проблемой микрозаписи. Пусть студенты из Лос-Анджелеса пошлют студентам в Венецию булавку, на острие которой написано: «Круто? Как вам это нравится?» Булавка может вернуться назад с короткой припиской: например, внутри точки над буквой «i» появится надпись: «Ничего особенного!» Конечно, может оказаться и так, что одного интереса окажется недостаточно и серьезное развитие области удастся наладить лишь на экономической основе. Я не могу сейчас обсуждать эту проблему подробно, но (в качестве самого простого шага) обещаю выплатить приз в 1000 долларов тому парню, который сумеет первым записать информацию со страницы книги с уменьшением линейного масштаба в 25 000 раз таким образом, чтобы текст можно было затем прочитать, пользуясь электронным микроскопом. Кроме того, я предлагаю еще один приз (надеюсь, что мне не придется вступать в дискуссию относительно постановки задачи) в 1000 долларов тому, кто первым изготовит нормально работающий электродвигатель с внешним управлением, объем которого без учета соединительных проводов не превышает 1/64 кубического дюйма. И я уверен, что претенденты на получение этих призов объявятся довольно скоро.

Перевод с английского
А.В.Хачояна