4.5.2. Ускорители нанотехнологии. Квантовое моделирование и масштабные эксперименты

4.5.2. Ускорители нанотехнологии. Квантовое моделирование и масштабные эксперименты

Выше говорилось о том, что научные достижения имеют тенденцию «эмигрировать» из лабораторий и превращаться в инновационные проекты, причем этот процесс протекает ускоренно, что и описывается законом Мура. Многие компании пользуются для расчета новых систем различными вычислительными приемами, но при этом следует помнить, что моделирование наномасштабных объектов и процессов связано с серьезными теоретическими проблемами. Дело в том, что неоднократно упоминавшиеся уникальные свойства наноматериалов обычно бывают связаны с квантовыми эффектами, которые до сих пор во многом остаются непонятными и загадочными. Физики почти сто лет назад вывели уравнения для квантовых систем и даже умеют аналитически решать некоторые из них. Однако эти уравнения настолько сложны, что и самые совершенные компьютеры могут пока численно моделировать поведение лишь очень простых квантовых систем, типа атома водорода. К глубокому сожалению, это означает, что в нанонауке и нанотехнологии ученые вынуждены пока пользоваться почти исключительно эмпирическими методами, то есть создавать некие нанообъекты в лабораториях, а затем классическим методом проб и ошибок выяснять свойства и характеристики этого объекта.

Разумеется, это обстоятельство весьма огорчит и разочарует многих ученых и инженеров, уже привыкших при проектировании пользоваться разнообразными компьютерными программами (подобными CAD, Computer Aided Design), позволяющими еще на стадии разработок визуализировать объекты. Ничего подобного нельзя осуществить на компьютерах с традиционной архитектурой, и моделирование нанообъектов представляет собой пока неразрешимую задачу, что имеет не только теоретическое, но и сугубо практическое значение. Дело в том, что обычно компьютерное моделирование позволяет значительно сократить время и расходы на стадии разработок нового товара, и это очень важно для любого серьезного коммерческого проекта. Серьезных инвесторов отпугивает возможность затягивания (и соответственно удорожания) стадии научно-исследовательских и конструкторских работ, что может грозить зарождающейся науке и технологии большими сложностями. Кстати, когда-то в таком положении оказалась биотехнология, но ее спасло то, что в качестве инвесторов выступали могущественные и богатые фармацевтические компании, сумевшие довести продукты до коммерциализации.

Представляется удивительным и символическим, что одно из решений проблемы компьютерного моделирования квантовой механики предлагает сама квантовая физика, посдавшая идею создания совершенно нового типа вычислительных устройств (квантовых компьютеров), позволяющих фантастически повысить быстродействие и другие характеристики компьютеров. Более того, принцип действия квантового моделирования напоминает поведение естественных систем, то есть позволяет буквально обойти препятствия традиционной вычислительной техники за счет квантовых эффектов! Можно лишь надеяться, что как только такие квантовые компьютеры будут реально созданы, то именно их начнут использовать ученые для немыслимо сложных расчетов характеристик наномасштабных объектов. На этой стадии нанотехнология станет напоминать современное моделирование и проектирование авиационно-космической техники, которое уже сейчас может осуществляться виртуально, то есть без использования данных, получаемых экспериментально в аэродинамических трубах или их химических аналогах.

На первый взгляд ситуация кажется странной и необычной, но, в сущности, она является совершенно естественной. Обычные компьютеры очень удобны для расчета привычных макроскопических (то есть не квантовых) систем, например автомобилей или самолетов, а для моделирования квантовых систем мы должны придумать и создать именно квантовые компьютеры! Каждый уровень реальности должен описываться собственным языком и собственным типом компьютеров!

Одна из компаний, нацеленных на создание квантовых компьютеров, сейчас пытается заменить кремниевые технологии алюминиевыми, и очень надеется, что в 2008 году сможет сконструировать вычислительную схему размером с ноготь, превосходящую по мощности все существующие на планете компьютеры вместе взятые. Возможно, подобные устройства смогут действительно решать задачи квантовой механики и позволят нам поставить проектирование наносистем и нанообъектов на промышленную основу, что будет означать принципиально новую стадию в развитии нанотехнологий. Потенциальные возможности квантовых компьютеров представляются настолько фантастическими, что профессор Оксфордского университета Дэвид Дейч даже заявил: «Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, на которые современным ЭВМ потребовалось бы время, превосходящее возраст Вселенной!»

Иногда утверждается, что каждый физический эксперимент может быть сведен к сложной процедуре расчета, и для подтверждения (или реализации!) этой точки зрения квантовые компьютеры совершенно необходимы расширения действия закона Мура на квантовые (нанометровые) объекты. С другой стороны, продолжаются и должны продолжаться научные эксперименты в этой области. Стоит особо отметить, что вплоть до самого последнего времени методы создания новых функциональных материалов практически не отличались от тех, которыми руководствовались ученые сотни лет назад. Создание новых материалов и сейчас в огромной степени зависит от личного мастерства и искусства ученого, обычно интуитивно угадывающего удачное сочетание компонент из немыслимого множества вариантов, а затем старательно исследующего и улучшающего полученное вещество. Неожиданные открытия в этой области обычно требуют нескольких лет изнурительного труда!

Некоторые компании (Affimetrix, Intematix и Symyx) предложили новый методологический подход к решению описываемых задач, который может быть назван «массовым экспериментированием». Метод фактически означает применение в материаловедении давно используемого химиками и фармацевтами скрининга, то есть массового обследования веществ с заданной целью. Новый подход с комбинированием огромного числа компонент уже доказал свою высокую эффективность, позволяя получать новые материалы в 100 раз быстрее, чем по традиционным методам. Указанным фирмам уже удалось разработать таким способом некоторые материалы для топливных элементов, батарей, полупроводниковой техники, светоизлучающих диодов и т. п.

Метод, который может быть по праву назван «материаловедческой комбинаторикой», обещает в будущем вытеснить все традиционные способы, поскольку он позволяет образовывать и испытывать сочетания огромного числа известных веществ. В дальнейшем, вполне возможно, речь будет идти и о полном «переборе» всех возможных сочетаний, то есть создании полной «библиотеки материалов», возможность применения которых в конкретных задачах будет изучаться параллельным массовым тестированием, типа применяемого в комбинаторной химии и фармацевтической промышленности. Автоматизированные системы смогут за короткое время «вырабатывать» ту информацию, на получение которой исследователи раньше тратили годы изнурительного труда, что, естественно, существенно ускорит научно-исследовательские и конструкторские разработки во многих областях.