Одна из возможных замен кремниевых чипов — транзисторы, собранные из отдельных атомов. Если кремниевые транзисторы начинают отказывать, поскольку проводники и слои в микросхемах уменьшаются до атомных размеров, то почему бы не начать все заново и не научиться считать на атомах?
В частности, что-то подобное можно реализовать на молекулярных транзисторах. Транзистор — это ключ, позволяющий контролировать ток по проводнику. Вообще говоря, кремниевый транзистор можно заменить одной сложной молекулой или, вернее, двумя механически связанными молекулами, такими, к примеру, как ротаксан и тиофенол. Внешне молекула тиофенола выглядит как длинная гантелевидная трубка с кольцевой «ручкой» посередине. В обычных условиях электричество свободно проходит сквозь трубку, делая ее проводящей. Но если «повернуть ручку», электрический ток будет перекрыт. Таким образом, молекула действует как ключ, контролирующий протекание электрического тока. Если назвать состояние, когда ток проходит через молекулу, «1», а запертое состояние — «О», то получится, что при помощи всего одной составной молекулы можно передавать цифровые сообщения.
Молекулярные транзисторы уже существуют. Несколько крупных корпораций объявило о создании транзисторов на базе отдельных молекул. Однако о коммерческом использовании говорить пока рано; прежде необходимо научиться корректно включать эти устройства в электрическую цепь, а также разработать технологию их массового производства.
Перспективный кандидат на роль молекулярного транзистора имеется в классе веществ, получивших название графенов, которые впервые выделили из графита в 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета, удостоенные за свою работу Нобелевской премии. Графен напоминает одиночный слой графита. В отличие от углеродных нанотрубок, которые представляют собой графитовое полотно, скрученное в длинную тонкую трубку, графен — плоское углеродное полотно толщиной всего в один атом. Подобно углеродным нанотрубкам, графен — новое состояние вещества, и сейчас ученые разбираются в его удивительных свойствах, включая и электрическую проводимость. «С точки зрения физики графен — просто золотая жила. Его можно изучать бесконечно», — замечает Новоселов. (Кроме того, графен — самый прочный материал, с которым до сих пор сталкивалась наука. Если поместить слона на карандаш и поставить карандаш на графеновое полотно, оно не порвется.)
Группе Новоселова удалось при помощи стандартной технологии, используемой в производстве компьютеров, вырезать самые маленькие, наверное, известные на сегодняшний день транзисторы. При помощи узкого пучка электронов можно вырезать в графене каналы, создавая таким образом транзисторы толщиной в один атом и десять атомов в поперечнике. (В настоящее время самые маленькие молекулярные транзисторы имеют размер около 30 нм. Самые мелкие транзисторы Новоселова получились еще в тридцать раз меньше.)
Эти графеновые транзисторы настолько малы, что представляют собой абсолютный предел для молекулярных транзисторов вообще. Если сделать транзистор еще меньше, в дело вступит принцип неопределенности и начнется утечка электронов. «Меньше этого, пожалуй, уже не получишь», — говорит Новоселов.
На роль молекулярного транзистора есть и другие перспективные кандидаты, но настоящая проблема здесь куда более приземленная: как подключать их в цепь и как собирать из них коммерчески жизнеспособный продукт. Дело в том, что мало создать один молекулярный транзистор. Молекулярными транзисторами очень трудно манипулировать, что само по себе достаточно очевидно, — ведь они могут быть в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Придумать технологию их массового производства — сложнейшая задача, и в настоящее время такой технологии не существует.
К примеру, графен — настолько новый материал, что пока не ясно, как можно получить его в больших количествах. Ученые могут изготовить лишь около 0, 1 мм чистого графена, что, конечно же, слишком мало для коммерческого применения. Остается надеяться лишь на то, что когда-нибудь будет найден процесс самосборки молекулярных транзисторов. В природе иногда встречаются группы молекул, самоорганизовавшиеся, будто по волшебству, в идеальную структуру. До сих пор никому не удалось надежно воспроизвести подобный процесс.
