Наразі всі наші комп'ютери працюють на основі кремнієвих процесорів і мікросхем пам'яті, але науковцям та винахідникам усього світу, та й ніде правди діти, і нам з вами, дуже хочеться вірити, що ми на межі наукового і технологічного прориву. То ж, коли команді дослідників із університету Вісконсін-Медісон (University of Wisconsin–Madison, USA) вдалося створити перший транзистор, побудований на основі вуглецевих нанотрубок, який працює вдвічі швидше, ніж його кремнієві аналоги, інформацію швидко підхопили журналісти. Адже, теоретично, транзистори на основі вуглецевих нанотрубок можуть працювати у 5 разів швидше за кремнієві, проте практично створити їх науковцям поки що не вдалося.

Перші вуглецеві нанотрубки з’явилися ще 1991 року. Це – циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів (1 нанометр = 1×10-9 м), які складаються з однієї або кількох згорнутих у трубку гексагональних площин. Уявіть собі крихітну, циліндричну трубку, приблизно в 50 тисяч разів тоншу, ніж ширина людського волосся, яка складається з атомів вуглецю, розташованих в гексагональних решітках. Так буде виглядати дріт нанотрубки вуглецю, якби ми могли бачити його на атомарному рівні.

Через такі малі розміри вуглецеві нанотрубки розташовують на спеціальних підкладках. Кілька мільйонів трубок на підкладці працюватимуть так само, як кремнієвий транзистор. Відтак, поки що теоретично, із них можна створити центральний процесор комп'ютера нового покоління.

Незважаючи на свої неймовірно крихітні розміри, вуглецеві нанотрубки у більш ніж 100 разів міцніші за сталь, але у шість разів легші за неї. Вони еластичні, гнучкі, як нитки, і, попри свої стінки, діаметром в 1 атом, можуть бути довжиною у сотні мікронів (1 мікрон = 10−6 метра). Якби такі ж параметри мало людське волосся, то одна волосина мала б довжину більше 40-а метрів, кажуть учені.

Через надміцні зв'язки, які утримують атоми вуглецю в гексагональній структурі, вуглецевим нанотрубкам притаманне явище, відоме як делокалізація електронів, що дозволяє електричному заряду безперешкодно рухатися ними. Також, вуглецеві нанотрубки мають у близько 15 разів вищу теплопровідність і в 1000 разів вищу пропускну здатність струму, аніж мідь, зберігаючи при цьому густину наполовину меншу, ніж алюміній.

 

nano1

 

Вченим залишилося з'ясувати, як замінити кремнієві процесори на нові, побудовані на основі вуглецевих нанотрубок. Адже є одна серйозна проблема, яка не дозволяє запустити винахід у масове виробництво: вуглецеві нанотрубки неймовірно важко ізолювати від дрібних металевих домішок, які потрапляють до них під час виробничого процесу, і замінюють своїми властивостями властивості самих вуглецевих нанотрубок.

І ось 2014-го команда науковців університету Вісконсін-Медісон заявила, що нарешті знайшла спосіб позбутися таких домішок. Метод полягає в керованій самоорганізації вуглецевих нанотрубок у розчині полімеру, що також дозволяє дослідникам дотримуватися належної відстані між нанотрубками на підкладці, яку потім використовують для материнської плати процесора. Наразі науковцям уже вдалося виготовити вуглецеві нанотрубки з менш ніж 0,01% металевих домішок, інтегрувати їх на транзистор, який може досягти майже двічі вищої швидкодії, ніж більшість сучасних кремнієвих транзисторів. Відтак, команда дослідників університету Вісконсін-Медісон вже змогла побудувати пластини з нанотрубок площею до 2,5 на 2,5 см.

У 5 разів більшу швидкість роботи та в 5 разів меншу енергозатратність вчені прогнозують тільки для транзисторів, побудованих на основі вуглецевих нанотрубок без жодних домішок. Проте, щоб переконатися у цьому, треба спершу побудувати справжній робочий комп'ютер, наповнений транзисторами з вуглецевими нанотрубками, бо ж до сьогодні всі ці оптимістичні прогнози базуються лише на комп’ютерному моделюванні.

 

nano2

Що думають про техніку на основі транзисторів із вуглецевих нанотрубок українські науковці? Коли вона може з’явитися у світі, а коли – в Україні?

Максим Стріха, доктор фізико-математичних наук, заступник Міністра освіти і науки України:

– Ця ідея не нова. До неї тим чи іншим боком підходили після отримання вуглецевих нанотрубок на початку 1990-х. Потім вуглецеві нанотрубки трохи відійшли на другий план після отримання в 2004 році графену – моношару вуглецю на діелектричній підкладці. Кілька років головні надії на створення наноелектроніки, альтернативної кремнієвій, було пов’язано саме з графеном. В силу кількох причин (головна фізична причина  – "безщілинна" структура графену, яка не дозволяє легко отримати стани логічних "0" і "1"), ці надії не справдилися, хоч зараз інтенсивно вивчають кілька інших графеноподібних матеріалів. Але паралельно вчені повернулися до вуглецевих нанотрубок.

Судячи з усього, характеристики справді конкурентні. Та чи скоро ми отримаємо ВНТ-транзистори в масових комп’ютерах, судити не беруся. Адже тут діють потужні індустрії, де складно буде швидко перебудувати всі технологічні процеси... Тому мій прогноз: і графен, і графеноподібні матеріали, і вуглецеві нанотрубки матимуть ближчими роками важливі "нішові" застосування, але масова електроніка поки залишатиметься кремнієвою. А досліджень у цій царині надзвичайно багато – практично в усіх провідних наукових країнах. І ми в Україні щось робимо, щоправда, обраховуючи чужі експерименти.

Олексій Назаров, завідувач відділу функціональних матеріалів і наноструктур Інституту фізики напівпровідників імені В. Лашкарьова НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор:

– IBM працює у цьому напрямі, мабуть, з 10 років. І вони вже зробили перші схеми з вуглецевими нанотрубками. А до 2020 року планують створити перший процесор на їх основі. Це системи нового покоління, адже кремній себе вичерпує. Цього року IBM уже зробила процесори на основі кремнію з довжиною каналу 7 нанометрів, тобто, в 10-20 атомів. Тепер треба робити ще більшу щільність транзисторів і досягати, водночас, більшої швидкості процесорів. Але кремній уже не дозволяє цього зробити, і в цьому проблема; потрібні нові матеріали. Тому сьогодні науковці по всьому світу займаються наноелектронікою і переходять на інші матеріали, серед яких одними з найбільш перспективних вважають вуглецеві нанотрубки. Вони можуть бути металічні або напівпровідникові, але вчені вже навчилися відділяти одні від інших, а головне – орієнтувати їх. Це найголовніша проблема, бо в розчині полімеру вони виростають такими купками, як сміття, фактично. А треба оці вуглецеві нанотрубки, діаметром – від 1 до 10 нанометрів, правильно зорієнтувати і викласти в певному напрямку. Лише так можна збудувати транзистор. А потім – процесор. А в комп’ютерному процесорі – мільйони і мільярди транзисторів.

 

nano3

 

 

В Україні вуглецеві нанотрубки науковці досліджують давно. Але ж головна проблема не в тому, аби отримати їх. Навіть створити один транзистор на їх основі у нас не може, певно, ніхто. Це тому, що мікроелектроніка у нас повністю знищена, підприємств нема. Ніхто на рівні уряду не займається високотехнологічною промисловістю. Ми просто купуємо різні прилади за кордоном, встановлюємо їх, скажімо, на танки. Але ж жодна країна найсучасніші військові пристрої не продасть. Тому в тих умовах, в яких ми живемо, маємо бути зацікавлені у власних високотехнологічних наукових дослідженнях.

Ігор Наконечний, пост-докторант групи фізики і хімії, наноструктур, Гентський університет, Бельгія:

– Відповідно до Закону Мура, кількість транзисторів на одиницю площі що два роки подвоюється, що невпинно наближає до фундаментального ліміту в кремнієвій електроніці, пов’язаного з розмірами атому кремнію. Тому особливо важливими для електроніки є дослідження, які дозволять замінити кремній іншими матеріалами. Власне, одним із основних напрямів пошуків альтернатив є наноматеріали, серед яких чільне місце займають вуглецеві нанотрубки. Тому робота науковців з університету Вісконсину-Медісона заслуговує уваги.

Варто зауважити, що це дослідження належить до крайнього фронту науки, тож не слід очікувати готових продуктів на основі вуглецевих нанотрубок найближчі років десять. Водночас, вже зараз у світі існують компанії, які виробляють і продають наноматеріали (в тому числі і вуглецеві нанотрубки), але в більшості для дослідницьких цілей.