Атомарно точное производство (APM) - это экспериментальное приложение нанотехнологии, в котором отдельные атомы и молекулы могут быть точно расположены для формирования продуктов, которые полностью безупречны, вплоть до атомного уровня. В настоящее время технология имеет потенциал в высокотехнологичных областях, таких как квантовые вычисления , но в случае коммерциализации, вероятно, окажет большое влияние на все области производства. APM классифицируется как прорывная технология или технология, которая вносит большие изменения в существующую отрасль. [1] [2]
APM все еще находится в стадии разработки, и не было обнаружено простого метода манипулирования атомами. Как только будут достигнуты успехи и технология станет дешевой и эффективной, APM можно будет коммерциализировать для крупномасштабного использования, что снизит затраты и энергозатраты производства. Как прорывная технология, APM сначала будет продаваться в нишевых областях, таких как наномедицина и квантовые вычисления, прежде чем получит широкое распространение. [1]
Преимущества атомно-точного производства
Традиционные производственные процессы в основном основаны на концепциях дискретного и непрерывного производства. Дискретное производство - это методология производства, при которой на конвейере производятся готовые серийные товары из предварительно собранных компонентов. Любой продукт, изготовленный путем дискретного производства, можно разделить на компоненты, используемые для его сборки. Непрерывное производство можно рассматривать как противоположное. В непрерывном производстве производитель должен следовать установленному рецепту для создания готовой продукции, такой как продукты питания или лекарства. Продукция, изготовленная таким образом, не может быть далее разбита на составляющие. Но хотя оба этих метода производства превосходны для быстро массового производства товаров, они часто являются расточительными, неэффективными и не могут использоваться для создания продуктов, требующих крайней степени точности из-за их крупномасштабного характера. [3]
Однако производство с атомарной точностью позволяет создавать чрезвычайно чувствительные продукты. В отраслях, где точность имеет решающее значение, производство с атомарной точностью может стать революционной силой. Например, в развивающейся области квантовой технологии и вычислений ведется разработка наноплазмонных устройств. В этих устройствах даже небольшая неточность зазоров между частицами имеет огромное значение для конечного результата. Концепции APM позволяют точно манипулировать частицами, чтобы разработчики и исследователи могли получить правильные результаты. [4]
Приложения
Концепции APM могут применяться во многих областях исследований и разработок, и некоторые из наиболее многообещающих приложений перечислены ниже.
Относящийся к окружающей среде
APM также может помочь в решении многих экологических проблем, с которыми в настоящее время сталкивается общество. Включение APM в производственные процессы во всем мире может значительно снизить уровень загрязнения, создаваемого промышленностью в настоящее время. Работая на атомарном уровне, эффективность производства может быть значительно увеличена, а отходы могут быть значительно сокращены, потому что производители теперь имеют почти полный контроль над каждым аспектом производственного процесса. [5]
APM также может помочь в широкомасштабном внедрении возобновляемых источников энергии. Например, APM может значительно повысить производительность фотоэлектрических систем (солнечная энергия). В настоящее время фотоэлектрические (PV) системы слишком дороги для того количества энергии, которое они производят, чтобы использовать их в качестве основного метода производства энергии для больших городских территорий. Есть надежда, что APM позволит создавать фотоэлектрические системы из более дешевых и распространенных материалов и, в конечном итоге, сможет постепенно отказаться от ископаемого топлива как основной формы производства энергии. [5]
Удаление углекислого газа из атмосферы - еще одно возможное применение APM. В настоящее время технология удаления углекислого газа из воздуха существует, но ее неудобно использовать в больших количествах. APM можно было бы использовать, чтобы сделать эту технологию более доступной. [5]
Квантовые вычисления
В настоящее время квантовые вычисления ограничены, потому что квантовые компьютеры страдают от большого количества проблем, таких как декогеренция (потеря квантовой природы частицы), и часто испытывают затруднения при правильном выполнении основных функций. В обычных компьютерах проблемы с плохими вычислениями обычно можно решить, предоставив компьютеру больше памяти, но в настоящее время это неосуществимый вариант для квантовых компьютеров. Единицей хранения для квантовых вычислений является кубит (сокращение от квантового бита) в отличие от обычного бита в стандартных вычислениях. Исследователи должны быть очень консервативными при распределении кубитов, потому что в отличие от обычного компьютера, который хранит сотни миллиардов битов, лучшие квантовые компьютеры имеют около 50 кубитов. Поскольку хранилище информации находится в таком дефиците, исследователи не смогли найти способ разделить кубиты между программами исправления ошибок и фактическими вычислениями. [6]
С применением APM исследователи надеются построить квантовые компьютеры с более крупными модулями хранения, а также с компонентами, которые могут поддерживать когерентное состояние неограниченное время. Как только эти ограничения будут сняты, квантовые компьютеры смогут найти коммерческое применение. [7]
Сверхпроводники при комнатной температуре
Комнатная температура сверхпроводник представляет собой вещество , которое обладает свойством сверхпроводимости (электрической проводимости с абсолютно никаких сил сопротивления) при температурах , которые могут быть рассмотрены комнатную температуру (выше 0 ° C). [8] Сверхпроводники при комнатной температуре были очень востребованной технологией из-за их потенциала для значительного повышения энергоэффективности. [9] Обычно сверхпроводники могут функционировать только в криогенных средах, и разработка сверхпроводников при комнатной температуре была неудачной до октября 2020 года, когда было обнаружено первое сверхпроводящее вещество при комнатной температуре, состоящее из углерода, водорода и серы. [10] [11]
Однако до коммерциализации этому сверхпроводнику еще далеко. Он может работать только при чрезвычайно высоких давлениях, сравнимых с давлением ядра Земли. [10] Чтобы создать сверхпроводники, которые могут функционировать при комнатной температуре и давлении, ученые обращаются к APM, чтобы изменить вещества, чтобы они вели себя по-другому. [9]
Методы
Сканирующий туннельный микроскоп
Текущий перспективный метод производства товаров атомарной точности (AP) находится в стадии разработки в Zyvex Technologies, где они планируют использовать сканирующий туннельный микроскоп (STM) для перемещения отдельных атомов. Обычно СТМ используется для фотографирования атомов и молекул, но Zyvex преобразовала их СТМ в машины с необходимой точностью для позиционирования определенных атомов. Однако STM недостаточно эффективны для использования в крупномасштабных производственных процессах. Текущая цель Zyvex - продвинуть дизайн STM до такой степени, чтобы большая группа из них могла изготавливать товары в промышленных условиях. [12]
Для совместной работы нескольких сканирующих туннельных микроскопов требуется высочайший уровень координации и точности. Основной уровень точности обеспечивается нанопозиционерами (столиками, которые позиционируют образцы микроскопа с точностью до нанометра) [13], которые позволяют выполнять точное позиционирование по осям x, y и z. Когда нанопозиционеры готовы, можно начинать производственный процесс. [12]
- Первым шагом в процедуре Zyvex является создание серии скоординированных производственных устройств STM, которые могут эффективно работать вместе и могут обрабатывать производство большого объема продукции.
- Затем в STM будет внедрена « микроэлектромеханическая система (MEMS) с обратной связью », которая позволит им работать независимо от контроля человека. Включение MEMS позволит STM работать со скоростью от 100 до 1000 раз больше, чем раньше, и с точностью до нанометра, что позволяет использовать их в коммерческих целях. [12]
Водородная литография
Водородная литография - это метод APM, специально посвященный хранению данных . Команда исследователей из Университета Альберты использовала водородную литографию для хранения информации объемом 1,2 петабита (150 000 гигабайт ) на площади в один квадратный дюйм , что сделало эту форму хранения данных примерно в 100 раз более эффективной, чем диск Blu-Ray . Технология работает с использованием СТМ для перемещения атомов водорода по кремниевой подложке для хранения информации в двоичной системе в виде единиц и нулей. Присутствие атома водорода в определенном месте означает единицу, а отсутствие атома водорода в определенном месте означает ноль. [14]
Эта технология представляет собой большой шаг вперед по сравнению с предыдущими версиями устройств хранения с высокой плотностью, которые работали только в сверхспецифических условиях, таких как отрицательные температуры или в вакууме , что делало их крайне непрактичными. Новый метод хранения, использующий водородную литографию, стабилен при комнатной температуре и стандартном атмосферном давлении . Эта технология также долговечный, способный хранить информацию в течение более чем половины столетия . [14]
Литография депассивации водорода
Водород депассивации литографии (ЛВП) представляет собой вариант электронно - лучевой литографии , где кончик сканирующего туннельного микроскопа изменяется , чтобы излучать поле холодной , что пожары незначительный пучок электронов на поверхности , покрытые пленкой чувствительной к электронам , называемое сопротивление , как правило , сделаны кремния. Затем пучком электронов можно манипулировать для травления рисунков или рисунков на резисте. HDL выполняется в вакууме при температуре от минусовой до 250 ° C. В настоящее время HDL может быть выполнен в одной из двух форм: до пяти вольт мощности для создания атомарно точных структур и в режиме 8 вольт с более широкой областью воздействия. После создания дизайна результат проявляется в процессе десорбции . Десорбция - это противоположность абсорбции, когда материал отделяется от поверхности, а не окутывается ею. [15] В HDL энергии, высвобождаемой при ударе электронов о поверхность кремниевого резиста, достаточно для разрыва химической связи между атомами кремния и водорода, и атом водорода в конечном итоге десорбируется. [16]
Метод пяти вольт имеет точность до нанометра, но он относительно неэффективен. Модель, подтверждающая атомарную точность этого метода, была создана в виде формулы
где i - значение туннельного тока в нА ( наноампер ), K - постоянная, равная 0,194, V - смещение между зондом и образцом, e - число Эйлера , - размер туннельного зазора микроскопа, Φ - высота локального барьера, - масса электрона, а является постоянной Планка делятся. [16]
Критика и споры
Было высказано множество опасений по поводу потенциальных рисков, которые может создать широкое распространение APM.
Серая слизь
Некоторые эксперты опасаются , APM может внести свой вклад в « серой слизи » конца света сценарий , в котором самовоспроизводящиеся молекулярные ассемблеры (машины , которые существуют в атомном масштабе) бесконтрольно создавать копии самих себя, образуя серую слизь , которая поглощает всю планету в качестве ресурса для продолжения репликации . Однако такой сценарий был бы крайне нереалистичным. Мало того, что эти молекулярные ассемблеры должны быть специально созданы для функции создания серой слизи, но разработка этих ассемблеров потребует огромных ресурсов для начала. Если предположить, что есть люди, которые хотели бы увидеть исчезновение всего живого, у них, вероятно, нет ресурсов, чтобы довести это до конца. [5] [17]
Экономическая
Еще одна серьезная проблема с APM - это негативное влияние на занятость. По своей природе APM - это очень технологически сложная среда, для работы которой требуются высокообразованные операторы. Беспокойство заключается в том, что если экономика переместится в сторону экономики, в значительной степени зависящей от APM, большинство населения не будет иметь необходимой подготовки для достижения успеха, и уровень бедности вырастет. [5]
Милитаризм
Многие эксперты опасаются, что ППМ может быть использован для разработки нового разрушительного оружия и спровоцирует новую глобальную холодную войну . Удешевляя разработку разрушительного оружия, страны могут с большей вероятностью прибегнуть к насилию. [5]
Наблюдение и конфиденциальность
Очень реалистичным был бы сценарий, при котором правительства и службы безопасности используют APM для производства крошечных камер и другого шпионского ПО, чтобы шпионить за гражданами. Многие исследователи выразили обеспокоенность по поводу нарушения прав, которое может принести этот тип технологии. [5]
Смотрите также
- Дебаты Дрекслера-Смолли о молекулярной нанотехнологии
- Нанотехнологии
- Молекулярная машина
- Молекулярный ассемблер
Рекомендации
- ^ a b Министерство энергетики США. «Инновации в системах управления сканирующими туннельными микроскопами для высокопроизводительного производства с атомарной точностью» (PDF) . Энергия . Проверено 5 ноября 2020 .
- ^ «Подрывные инновации» , Википедия , 9 ноября 2020 г. , получено 15 ноября 2020 г.
- ^ «Что такое непрерывное производство? Определение и примеры» . Поиск по ERP . Проверено 26 октября 2020 .
- ^ «Области применения» . Zyvex . Проверено 26 октября 2020 .
- ^ Б с д е е г Амбрелло, Стивен; Баум, Сет Д. (июнь 2018 г.). «Оценка нанотехнологий будущего: чистое социальное воздействие производства атомарной точности» . Фьючерсы . 100 : 63–73. DOI : 10.1016 / j.futures.2018.04.007 . hdl : 2318/1685533 . ISSN 0016-3287 .
- ^ Коулз, Скотт Пакин, Патрик. «Проблема квантовых компьютеров» . Сеть блогов Scientific American . Проверено 15 ноября 2020 .
- ^ Форрест, Фрейтас, Якобштейн, Д. Р., Р. А., Н. (8-9-2007). «Приложения для позиционно-контролируемых производственных мощностей с атомарной точностью» (PDF) . Проверено 15 ноября 2020 . Проверить значения даты в:
|date=
( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ "Комнатный сверхпроводник" , Википедия , 02.11.2020 , получено 15.11.2020
- ^ а б Форрест, Фрейтас, Якобштейн, Д. Р., Р. А., Н. (8-9-2007). «Приложения для позиционно-контролируемых производственных мощностей с атомарной точностью» (PDF) . Источник 2020-11-15- . Проверьте значения даты в:
|access-date=
и|date=
( справка )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ а б Кастельвекки, Давиде (14.10.2020). «Первый сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, волнует и сбивает с толку ученых» . Природа . 586 (7829): 349. DOI : 10.1038 / d41586-020-02895-0 . PMID 33057238 .
- ^ Снайдер, Эллиот; Дасенброк-Гаммон, Натан; Макбрайд, Раймонд; Дебессай, Мэтью; Виндана, Хиранья; Венкатасами, Кевин; Лоулер, Кейт V .; Саламат, Ашкан; Диас, Ранга П. (2020-10-15). «Комнатная сверхпроводимость в углеродистом гидриде серы» . Природа . 586 (7829): 373–377. Bibcode : 2020Natur.586..373S . DOI : 10.1038 / s41586-020-2801-Z . ISSN 0028-0836 . PMID 33057222 .
- ^ а б в Министерство энергетики США (2019). «Инновации в системах управления сканирующими туннельными микроскопами для высокопроизводительного производства с атомарной точностью» (PDF) . Энергия . Проверено 5 ноября 2020 .
- ^ "Нанопозиционеры | Пьезо-нано-позиционер | Нанопозиционирование, X, XY, XYZ PiezoStage | Производитель | Поставщик" . www.nanopositioners.com . Проверено 5 ноября 2020 .
- ^ а б «Рекордная твердотельная память хранит данные с плотностью, в 100 раз превышающей плотность Blu-ray» . Новый Атлас . 2018-07-26 . Проверено 5 ноября 2020 .
- ^ "Desorption" , Википедия , 9 января 2020 г. , получено 14 ноября 2020 г.
- ^ а б Randall, John N .; Оуэн, Джеймс HG; Лейк, Джозеф; Шайни, Рахул; Фукс, Эхуд; Махдави, Мохаммад; Мохеймани, С.О. Реза; Шефер, Бенджамин Каррион (ноябрь 2018 г.). «Высокопараллельный сканирующий туннельный микроскоп на основе литографии депассивации водорода» . Журнал Vacuum Science & Technology B . 36 (6): 06JL05. DOI : 10.1116 / 1.5047939 . ISSN 2166-2746 .
- ^ «Риски, связанные с атомно-точным производством» . Открытая Филантропия . 2015-06-08 . Проверено 6 ноября 2020 .