Наступний «вік» цивілізації. Який матеріал замінить кремній

«Створю проблеми з матеріалу замовника»

Поняття «наук про матеріали» або «матеріалознавства» з’явилося не так давно: відповідний факультет був відкритий у МДУ їм. М. в. Ломоносова лише в 1991 році, в якості медждисциплинарного підрозділу на стику хімії, фізики і математики. Але насправді воно існувало завжди: як тільки людині знадобилися знаряддя, він – методом проб і помилок – з’ясував, що розрізати м’ясо допоможуть загострене каміння, а подоба списи найзручніше робити з дерева. І не навпаки. З тих пір відкривалися все нові і нові матеріали, але мета залишалася незмінною – максимально вигідно використовувати властивості даної речовини для створення нових предметів.

В даний час матеріалознавство присутній скрізь: вчені вдень і вночі шукають метали, не піддаються корозії, біоматеріали для імплантації в організм людини, полімери які зможуть замінити шкідливий для атмосфери поліетилен, і ще безліч інших речовин для різних завдань. Розробивши будь-новий прилад, пристрій або конструкцію, перше питання, яке ви собі поставите – «З чого я це зроблю?».

Але науки про матеріали можуть розповісти нам набагато більше, і грають фундаментальну роль у житті людства. Кожен етап нашого розвитку знаменується певним основним матеріалом, що визначає межі розвитку на даної щаблі. Матеріалознавство може передбачити, яким буде наступний крок, і навіть повністю змінити протягом еволюційного процесу.

Від сокири до імперії

В ході розвитку людства кожен серйозний прорив ознаменовывался відкриттям в області матеріалознавства. Перехід від товариства мисливців і збирачів до створення сільського господарства та Неолітичної революції збігся з тим, що людина навчилася використовувати природні матеріали – такі як камінь і дерево – і застосував їх у землеробстві. Настав кам’яний вік.

Метали були відомі, але в якості випадкових знахідок. Перехід на новий рівень, бронзовий вік, стався з відкриттям процесу виплавки металів. Технічно це було дуже серйозним досягненням: виплавка бронзи вимагає температур не менше 1000 градусів Цельсія і певного тиску. Скоріше всього вперше ці умови вдалося досягти у печах для випалювання глиняного посуду. З іншого боку, вигідні фізичні властивості бронзи – стійкість і міцність – виникають через сплаву двох металів (в даному випадку міді та олова). Чому при з’єднанні характеристики металів можуть змінюватися і що саме при цьому відбувається – тема окремого наукового дослідження, яке в давнину, зрозуміло, було недоступне. Якби відкриття бронзи не сталося, еволюція людства могло б піти зовсім по іншому сценарію.

Пристосування заліза, яке вимагало нової технології – кування замість звичного лиття – ознаменувало перехід до залізного віку. З’явилися нові сільськогосподарські знаряддя і зброю, друкована література. Були засновані країни і цілі імперії. Залізо найдовше залишалося основним матеріалом, за чотири тисячі років прийшовши до кульмінації – промислової революції. Але його позиції похитнуло одне з відкриттів кінця ХІХ століття.

Загадкові промені

У своїй лабораторії В Кембриджі Джозеф Джон Томсон намагався пояснити існування загадкових «катодних променів». Це було «щось», излучавшееся катодом вакуумної трубки і відхиляється в електричному і магнітному полях. Він зміг довести, що ці промені складаються з найдрібніших негативно заряджених часток, у дві тисячі разів легше атома водню. Дуже скоро стало зрозуміло, що ті ж самі частинки суть електричний струм, поточний по проводах.

У 1906 році Томсон отримав Нобелівську премію за дослідження проходження електрики через гази», поклавши початок субатомної фізики. Але навряд чи в той час він міг підозрювати, що його відкриття назавжди змінить протягом історії людства. Що виявлення електрона –перший крок у нову еру, яка ознаменувалася появою електронних пристроїв.

На передній план виходять транзистори

Розвиток електроніки почалося з тих самих вакуумних трубок, які розробив Томсон для своїх досліджень. З їх допомогою були створені перші логічні схеми, але вони володіли очевидними недоліками, були громіздкими і ненадійними, що спонукало вчених шукати інші компоненти для створення електронних пристроїв.

Це призвело до створення напівпровідникових транзисторів. Спочатку вони робилися з німеччина, але вже дуже скоро його замінив кремній завдяки його відмінних властивостях. Для напівпровідників важливі квантовомеханічні властивості матеріалів, тому впровадження кремнію передувало повномасштабний розвиток квантової механіки і подальше вивчення твердих тіл в її рамках. З іншого боку, під час Другої світової війни була налагоджена технологія отримання речовин з високим ступенем чистоти, майже без домішок, що дозволило поліпшити вихідні властивості германію і кремнію в сотні і тисячі разів.

У 1956 році, рівно через п’ятдесят років після відкриття електрона, Джон Бардін, Уолтер Братейн та Вільям Шоклі отримали Нобелівську премію за «дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту».

З тих пір ми живемо в «кремниевом столітті», в якому кремнієві транзистори складають основу практично всієї мікроелектроніки, без якої неможлива наша сучасна життя. Не тільки комп’ютери та телефони, але й транспорт, комунікації, медицина – все управляється мікроелектронними пристроями. Властивості кремнію були покращені до неймовірних показників, і замість величезних обчислювальних машин ми маємо гаджети розміром із сірникову коробку. І в основі кожного з них – кремній.

Коли закінчиться кремній?

Відповідно до закону Мура обчислювальні здібності ростуть одночасно з зменшенням розмірів і вартості пристроїв. Але нескінченне зменшення пристроїв неможливо – людина просто-напросто досягне фундаментальних фізичних меж, які визначаються розмірами атома. А значить, дуже скоро кремнієва революція підійде до свого логічного завершення. Створювати прилади ще менше, ще легше і швидше на його основі стане просто неможливо.

Здавалося б, нічого страшного: вже зараз у вас на долоні поміститься не один досить потужний процесор. Хіба цього не досить?

Але доведеться поглянути на цю проблему більш глобально: регіони, що розвиваються тільки приходять до поширення інтернету завжди і скрізь, а значить, і кількість використовуваних мікроелектронних пристроїв буде тільки рости і рости. За підрахунками, через пару десятків років половина енергії, що виробляється людством, буде споживатися обчислювальними пристроями, і так довго тривати не зможе.

Необхідно зробити крок вперед і розробити принципово нову концепцію – значить, потрібен новий матеріал. Без відкриття нових речовин ми так і будемо знаходитися в рамках старих уявлень про принципи роботи та можливості пристроїв.

Нові горизонти

Можемо запропонувати свій приклад «матеріалу майбутнього» – їм можуть стати мультиферроики, речовини, одночасно мають властивості феромагнетиків та сегнетоелектриків. Це призводить до того, що їх магнітні властивості можна змінювати за допомогою електричного поля, на відміну від наших стандартних технологій, заснованих на магнітних полях. Заміна одного поля на інше може збільшити швидкість, зменшити розміри і знизити вартість пристроїв, а також принципово змінити архітектуру обчислень. Можливо, наступного століття на нашому шляху – вік мультиферроиков?

Може бути так, може бути і немає. Крім мікроелектронних пристроїв, у матеріалознавства ще багато завдань, і набагато більш важливих. Проблеми зміни клімату і забруднення навколишнього середовища можуть зважитися виключно шляхом створення нових матеріалів, які стануть екологічно чистим і доступним джерелом енергії. У нових біо – і біорозкладаних речовинах потребує медицина. А відсутність потреби в корисних копалин, частина з яких залягає в зонах конфліктів, вбереже безліч життів.

Свої побажання та побоювання, свої найщиріші вітання та обурення Ви можете надсилати безпосередньо до Столиці Світу на [email protected]. Ми раді допомогти всім, хто радий допомогти нам. Щира подяка, пані та панове!

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *