Титановые снежинки нежно удерживают нанозаготовки

Нанотехнологии обещают многое: необычайная электроника и прочные сверхлёгкие материалы, микрокапсулы, доставляющие лекарства к нужным клеткам и военные роботы-пылинки. Однако "нанолевши", разрабатывающие эту технику, нуждаются в "нанопинцетах" и "наномолотках". Одно из самых удивительных подобных устройств создано в США.

Машины, которые могут манипулировать крошечными объектами с точностью позиционирования в считанные нанометры, называют наноманипуляторами.

Обычно это весьма сложные механизмы, довольно большие и тяжёлые (даром что носят приставку "нано"), а главное огорчение для физиков — они очень дорогие.

 

 

Нынешние цены на них колеблются в районе нескольких десятков тысяч долларов.

Вот если бы удалось создать аналог с более умеренной ценой, то, представьте, сколько небольших лабораторий, институтов или компаний смогли бы попробовать свои силы в нанотехнологиях или даже — выйти с каким-нибудь революционным нанотехнологическим продуктом на рынок.

Именно об этом думает профессор Массачусетского технологического института (MIT) Мартин Калпеппер (Martin Culpepper), работающий в лаборатории прецизионных систем (Precision Systems Design and Manufacturing Laboratory).

Уже не первый год он конструирует наноманипуляторы, которые отличаются от аналогов несколькими удивительными вещами.

Схема "сердца" одного из первых наноманипуляторов учёного — машинки HexFlex. Для масштаба — размер Ls равен 41 миллиметру (иллюстрация с сайта psdam.mit.edu).

Они сравнительно просты (но эта та простота, для достижения которой потребовалось много бессонных ночей), компактны и дёшевы, а изготовить их легко без применения каких-либо "супернавороченных" технологий.

Один из первых таких манипуляторов под названием HexFlex был собран учёным почти что из подручных материалов и обошёлся всего в $2 тысячи.

Аппарат показал точность позиционирования исследуемой (обрабатываемой) детали по всем осям — меньше чем 5 нанометров (при движении в сотни микрон), чем посрамил многие существующие аппараты ценой в десятки раз выше, и благодаря чему завоевал в прошлом году различные призы.

В частности — приз от журнала R&D Magazine, как изобретение, попавшее в "Топ 100" научных и технических разработок года.

Упрощённая схема другого варианта центральной детали (а их Калпеппер придумал немало), наглядно показывающая, как нажатие на управляющие элементы (белые стрелки) приводят к смещению центра в любом желаемом направлении (иллюстрация с сайта psdam.mit.edu).

Сейчас же автор этой машинки развивает целую плеяду её "родственников", отличающихся многими деталями и параметрами, но работающими на одних и тех же принципах.

Мартин утверждает, что и субнанометровая точность перемещений — достижима. Без существенного увеличения стоимости машины. Итак, нам пора познакомится с принципом действия его машин.

В основе всех их лежит монолитная металлическая деталь, плоская пластина затейливой формы (она, форма, отличается у разных вариантов наноманипуляторов Калпеппера) — прочная, но упругая.

Один из последних наноманипуляторов Калпеппера в процессе сборки. Видно основание, на котором закреплена центральная деталь — "снежинка" — и регулировочные винты (фото с сайта technologyreview.com).

Воздействуя электромагнитными приводами на определённые её точки — изобретатель получает за счёт сил упругости и внутреннего напряжения в детали маленькое (словно масштабируемое в десятки раз) перемещение центра этого узла (к которому и крепится "наковальня" для нанозаготовки) по шести степеням свободы.

Это, очевидно, линейные перемещения по трём осям и повороты по трём осям также.

Отдалённо происходящее с этой пластиной напоминает вот что. Представьте спиральную пружинку, поставленную вертикально на столе.

Та же машинка с установленными приводами — актуаторами (фото с сайта technologyreview.com).

Нажмите на её сверху, чтобы первый виток опустился на сантиметр. На сколько опустится самый нижний виток?

Конечно, на ноль — он же опирается на стол. А средний виток? Наверное, на полсантиметра. А участок, лежащий на пару миллиметров выше поверхности стола? Он сместится на доли миллиметра.

Вот вам и преобразователь ваших грубых движений в "тонкие". Аналогично, воздействуя на три (или шесть) точек своих затейливых "звёздочек" и "треугольников" со "снежинками" (то есть — центральные детали изобретённых Мартином манипуляторов) и смещая их на доли миллиметра или даже микроны — инженер получает нанометровые смещения центра этой детали.

Важно, что в основе манипулятора именно упругая монолитная деталь. Ведь там, где есть собрание нескольких звеньев, неизбежно появляются люфты и ошибки при работе — такой подход к созданию манипуляторов Калпеппер называет "старой парадигмой".

	Наноманипулятор в сборе. Сверху виден блок контроля перемещений образца (фото с сайта technologyreview.com).

Нужно добавить, что построение машины начинается в банальном механическом цехе, где водный резак, управляемый компьютером, выкраивает в один заход из целой титановой пластины "сердце" будущего наноманипулятора.

Разнонаправленное или симметричное подталкивание краёв пластины и трёх "шайб" с отверстиями, висящими на тонких усиках — в ту или иную сторону — производит желаемый эффект на исследуемую деталь. Подталкивание это обеспечивают электромагнитные соленоидные приводы.

Однако прежде, чем начать работу, нужно точно настроить пластину — чтобы она была напряжена симметрично и одинаково реагировала на нажатия с разных сторон. Для этого в систему введены три винта, с микронным шагом.

Всё вместе эти детали закрепляются на массивном алюминиевом основании, выточенном с высокой точностью.

Micro HexFlex (фото с сайта psdam.mit.edu).

Интересно, что микровинты не только обеспечивают правильную реакцию треугольника на управляющие воздействия, но и позволяют подстроить машину под различные научные задачи.

Создавая предварительное напряжение в фигурной детальке, экспериментаторы могут комбинировать высочайшую точность движений с крохотным диапазоном доступных перемещений, или, напротив, чуть более грубую реакцию машины со значительно большим диапазоном перемещения.

"Это для того, чтобы люди не тратили несколько тысяч долларов только на решение одной лишь задачи", — поясняет идею Калпеппер.

Нужно сказать, что уже в таком виде машина способна показывать высокую точность позиционирования.

	Калпеппер в своей лаборатории. На столе — наноманипулятор (фото с сайта technologyreview.com).

Но учёный ещё дополняет её обратной связью. Это верхняя мощная "крыша" устройства, снабжённая шестью ёмкостными датчиками перемещения, "скармливающие" свои данные в компьютер, управляющий электромагнитным приводом.

Любопытно, что на движение центрального узла машины влияют даже звуки беседы, которые отражаются на экране весёлой чехардой цифр.

Новые наноманипуляторы, которые учёные проектируют сейчас, будут надёжно защищены от внешних возмущений, так что текущие рекорды точности позиционирования и передвижения нанодеталей устоят недолго.

А пока другие учёные и инженеры восхищаются, как "левша" Мартин сумел построить такие точные машины практически из ничего — умелец создал, совместно с коллегами из других лабораторий института, самый маленький в мире наноманипулятор — диаметром всего в один миллиметр — Micro HexFlex.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru