Nanotehnologie

de la Mihai Budiu

Dicţionarul Webster defineşte cuvîntul ``nanotehnologie'' ca ``arta manipulării unor dispozitive minuscule, de dimensiuni moleculare''. Guvernul american însă a investit anul trecut jumătate de miliard de dolari în cercetarea din domeniul nanotehnologiilor, în încercarea de a transforma-o dintr-o ``artă'' într-o ``ştiinţă''. Ca urmare, activitatea de cercetare din domeniu este prodigioasă; în secţiunea despre alte surse de informaţie ofer cîteva legături care vă pot ghida spre paginile de web ale unora dintre cele mai renumite laboratoare. Progresele rapide, mai ales din chimie, au pus la-ndemîna cercetătorilor o seamă de unelte miniaturale minunate.
În această secţiune voi trece în revistă unele dintre dispozitivele minuscule care se anunţă a fi potrivite pe post de componente ale unui dispozitiv de calcul; nanotehnologia ca domeniu se ocupă de multe alte lucruri, pe care le voi ignora. Chiar şi printre dispozitivele nano-electronice, este imposibil de făcut o enumerare exhaustivă, aşa că mă voi mulţumi doar să ilustrez cu exemple reprezentative.

Componente

Primul ingredient necesar pentru a construi circuite la scară moleculară este... sîrma. Astfel de sîrme trebuie să fie foarte subţiri, lungi, rezistente mecanic, şi să aibă o conductanţă electrică bună. Din fericire chimiştii au descoperit o serie de molecule care au exact proprietăţile necesare. Figura 1 este ilustraţia unui fragment din cea mai celebră dintre moleculele descoperite, nanotubul de carbon.

Figura 1: Nanotuburi de carbon: fiecare biluţă este un atom de carbon legat covalent cu vecinii săi. Aceasta este partea din stînga a unei singure molecule. Pentru descoperirea acestor molecule Richard Smaley, de la universitatea Rice din Statele Unite, a primit premiul Nobel pentru chimie în 1996. Astfel de molecule au un diametru de 5 nm şi pot avea lungimi de ordinul milimetrilor. Proprietăţile lor electrice şi mecanice sunt excelente, în pofida dimensiunilor lor minuscule.

Al doilea ingredient de care avem nevoie este un comutator, care poate închide şi deschide circuite. Din fericire şi pentru acest dispozitiv există o pletoră de alternative; în figura 2(a) este schema unui astfel de comutator; fiecare biluţă este un atom.

Figura 2: (a) Un comutator molecular. O moleculă polarizată are un nor de sarcină electrică asimetric. În poziţia din stînga norul blochează trecerea curentului electric. Aplicînd un potenţial ridicat cauzăm rotirea moleculei şi reorientarea norului electronic; molecula în poziţia din dreapta conduce curent electric într-o singură direcţie, comportîndu-se ca o diodă. Molecula are ``memorie'', pentru că rămîne pentru multă vreme în poziţia în care a fost pusă. Un potenţial mare negativ poate muta molecula înapoi în starea neconducătoare. [această figură este adaptată din revista Scientific American] (b) Comutatorul molecular plasat între două nano-sîrme.

În figura 2(b) avem micro-fotografia unui astfel de comutator cuplat cu două nano-sîrme. Cum putem poziţiona atît de precis comutatorul? Prin procedee chimice simple:

1. Fabricăm cele două sîrme separat;
2. Înmuiem una dintre sîrme într-o soluţie care conţine molecule-comutator;
3. Suprapunem cele două sîrme aproximativ în unghi drept.

Astfel, comutatorul de la intersecţia celor sîrme se va cupla de ambele şi va deveni funcţional.
Faptul că putem construi sîrme izolate şi legate prin comutatoare nu este însă suficient pentru a construi circuite complexe. Trebuie sa fim capabili să construim în mod eficient (în paralel) multe astfel de sîrme cuplate cu comutatoare. Din fericire chimiştii au descoperit un fenomen care ne oferă soluţia într-un mod aproape miraculos. Acest fenomen se numeşte auto-asamblare (self-assembly). Una din formele sale se manifestă astfel: facem o soluţie cu un anumit tip de molecule. În soluţie muiem un suport. Încălzim soluţia, extragem suportul şi în mod spontan, fără vreun control dinafară, moleculele din soluţie se aşează pe substrat într-o structură aproape regulată, paralele între ele. În felul acesta putem construi simultan zeci sau sute de sîrme paralele, aflate la distanţe foarte mici una de alta.

Trăsături

Auto-asamblarea este un procedeu foarte ieftin de construcţie a unor structuri minuscule. Cu toate acestea, trebuie să realizăm cîteva dintre limitările sale inerente:

• Folosind auto-asamblare nu putem construi structuri neregulate, aperiodice. Circuitele integrate fabricate prin tehnologie CMOS sunt însă structuri neregulate. Va trebui deci să renunţăm la modelul circuitelor integrate digitale CMOS.
• Cel puţin în viitorul apropiat, folosind auto-asamblare afirmăm că este practic imposibil de construit un dispozitiv cu trei terminale, cum este tranzistorul. La dimensiuni moleculare este imposibil de coordonat simultan poziţia a trei sîrme pentru a le face să se întîlnească aproximativ în acelaşi loc. Folosind manipulări minuţioase sub un microscop electronic putem construi un tranzistor, dar afirmaţia noastră este că nu putem construi în mod automat şi paralel milioane de tranzistori. Tranzistorul este însă ingredientul fundamental al circuitelor integrate digitale CMOS, care nu pot fi concepute în absenţa sa! Cum vom putea atunci construi circuite integrate digitale? Pentru a putea răspunde la această întrebare trebuie din nou să renunţăm la metodele tradiţionale. Din fericire răspunsul se poate găsi dacă răsfoim publicaţii vechi, îngropate în praf prin biblioteci: la începutul aniilor '50, înainte de inventarea tranzistorului, pentru o vreme cercetătorii au studiat o metodă alternativă de a construi porţi logice, folosind numai diode şi rezistenţe. Figura 3(a) arată implementarea unei porţi logice ``şi'' folosind diode şi rezistori, pe cînd figura 3(b) arată cum acest circuit poate fi implementat folosind nanotehnologia. Acest mod de a construi circuite a fost abandonat după apariţia tranzistorului, pentru că consumă prea mult curent şi este mai ineficient. Cu toate acestea, consumul dispozitivelor nanoelectronice este minuscul, putînd face acest model viabil din nou.
  
  

  Figura 3: (a) O poartă logică ``şi'' implementată cu diode şi rezistenţe. Cînd una dintre intrări are tensiune joasă, dioda corespunzătoare conduce, deci tensiunea la ieşire este şi ea joasă. Cînd ambele intrări au un potenţial ridicat, nici una din diode nu conduce, şi potenţialul la ieşire este ridicat. Dacă asociem un potenţial ridicat cu valoarea logica ``1'', am obţinut astfel funcţionalitatea unei porţi logice ``şi''. (b) Implementarea porţii logice folosind nano-sîrme şi nano-comutatoare. Observaţi structura regulată şi folosirea exclusivă a sîrmelor care se încrucişează aproximativ la unghi drept.

• În circuitele integrate digitale tranzistorul are un rol dublu: serveşte la implementarea porţilor logice şi amplifică semnalul electric care se degradează. Am văzut că prima funcţionalitate poate fi înlocuită în nano-circuite folosind diode. Avem însă nevoie şi de amplificatoare la scară moleculară. Grupul de cercetare din care fac parte a propus un astfel de dispozitiv care are simultan trei funcţii:
  
  • Amplifică semnalul electric restaurîndu-l la valoarea normală;
  • Oferă sincronizare cu un semnal de ceas;
  • Poate fi folosit pe post de element de memorie.
  Acesta este echivalentul molecular al unui ``latch'' (un registru).
  
• În fine, cînd avem structuri atît de mici este inevitabil să avem o cantitate ne-neglijabilă de defecţiuni. Mici fluctuaţii termodinamice, un grăunte de praf, vor perturba imediat regularitatea sîrmelor şi comutatoarelor. Circuitele integrate digitale clasice trebuie să fie perfecte; după fabricaţie fiecare este testat extensiv şi cele cu defecţiuni sunt aruncate. Această metodologie va fi inaplicabilă nano-circuitelor, pentru că densitatea de defecţiuni va face existenţa unui circuit perfect practic imposibilă. În secţiunea următoare vom sugera însă o soluţie pentru această ultimă problemă.