Serijiniai mikroįrenginiai kol kas yra neįgyvendinama
inžinierių svajonė, nes juos surinkti iš gerokai mažesnių detalių yra
nepaprastai sudėtinga. Bet gal įmanoma juos "priversti"
susirinkti pačius?
Kai Mila Boncheva ištraukia savo rašomojo stalo stalčių, galite
per klaidą palaikyti ją juvelyre,
rodančia savo vertingiausius dirbinius. Ji
didžiuodamasi ištraukia puikiai sunertus perlų baltumo karolius,
stuburo formos metalinį vėrinį ir
šešiagyslę raudonos ir žalios spalvų varinę
pynę. Kiekvienas iš šių dirbinių laikomas
atskiroje aksomu muštoje dėžutėje.
Šie subtilūs ir gražūs daiktai
nėra juvelyriniai dirbiniai, o kad neapgadintų, M. Boncheva net nedrįsta
jų nešioti. Šie daiktai yra
eksperimentų, kurių tikslas - parengti trimačių
lustų gamybos metodus, rezultatas.
M. Boncheva - viena iš daugelio pasaulio mokslininkų, siekiančių
įvaldyti mikroskopinių trimačių
darinių formavimo technologiją.
Galutinis tikslas - serijinė mikroįrenginių
gamyba. Tokie įrenginiai su judančiomis
dalimis ir savais elektroniniais grandynais turėtų nesuskaičiuojamą
daugybę pritaikymo sričių: tarkim, būtų
kuriami "sumanūs" šnipinėjimo
krisleliai arba į kelionę po žmogaus
organus siunčiami nanorobotai - vaistų
dozei suleisti ar mikrochirurginei operacijai atlikti.
M. Bonchevos gaminiai toli gražu ne tokie. Norint "nusileisti" iki
nanometrinių darinių, reikia
pradėti bent jau nuo milimetrinių
matmenų. Dariniai nėra ir autonomiški. Kol
kas sudėtingiausia užduotis, kurią jie
gali atlikti, tai išsaugoti ir atkurti gaunamuosius bitus. M. Bonchevos
dariniai - įrodymas, kad egzistuoja
principinė galimybė "priversti" juos pačius
susirinkti, o tai - laimėjimas, kuris kaitina kolegų vaizduotę.
M. Bonchevos dariniai susiformuoja iš stambių milimetrinių
blokelių. Lankstydama šiuos blokelius,
ji įkvėpimo semiasi iš gamtos. Taip,
pavyzdžiui, vienmatės amino
rūgšties grandinės formuojasi į stambius
trimačius proteino darinius. "Turime mokytis iš gamtos", - tvirtina ji,
laikydama rankose centimetro dydžio elektroninę grandinę, sudarytą iš
spirale sudėliotų vario ir polimero lapelių.
"Iššokančių" paveikslų metodo taikymas.
Rengdama savo metodą, ji rėmėsi kitų tyrėjų darbais. Dešimto
dešimtmečio pradžioje keliems
mokslininkams nepriklausomai vienam nuo kito kilo mintis pasinaudoti
origamio metodo - tradicinio japonų popierinių figūrėlių lankstymo meno -
motyvais. Metodo esmė paprasta - precizišku tikslumu pagamintas
dvimatis objektas sulankstomas į trimatį.
"Dvimačio objekto lankstymas yra
patogus būdas nuo planariųjų darinių (o
jų technologija jau įvaldyta) pereiti
prie erdvinių", - sako MIT darbuotojas
Georgas Barbastathis, kurio veiklos kryptis - planariųjų silicio
nanodarinių lankstymas į sudėtingesnius
trimačius darinius.
Šis metodas galėtų būti
nesunkiai suderintas su kompiuterijos technologijomis. Planarieji dariniai
gaminami standartiniais fotolitografijos metodais, o iš jų formuojami trimačiai
dariniai, vadinasi, dauguma įrangos gali būti pritaikyta trimačių lustų, o
kada nors ir mikroįrenginių bei
nanorobotų gamybai.
Pagrindinės tradicinės fotolitografijos operacijos - tai silicio
plokštelės dengimas silicio oksidu ir
šviesai jautraus rezisto sluoksniu. Ultravioletinės spinduliuotės pluoštas per
fotošabloną patenka į fotorezistą ir
atidengia paveikslą. Atidengtas stiklas nuėsdinamas ir ant plokštelės
paviršiaus užauginamas kitas Si sluoksnis.
Ten, kur nėra SiO2 plėvelės, silicio
sluoksniai vientisi, kitose vietose juos skiria oksido sluoksnis. Tokių Si
sluoksnių gali būti ne vienas. Šitaip ant
silicio plokštelės galima suformuoti kad
ir sudėtingą, bet iš esmės dvimatį darinį.
Laimė, fotolitografijos metodas tyrėjams nurodo, kaip derėtų
nukreipti gamybą, kad lustai susiformuotų
į trimačius darinius. Dešimto
dešimtmečio pradžioje Berklio
Kalifornijos universiteto mokslininkas Krisas Pisteris su kolegomis, silicio luste
formuodami mikroskopinį lankstą,
pasitelkė fotolitografijos metodą.
Darbą vainikavo sėkmė (žr. pav.). K.
Pisteris rado būdą suformuoti
mikroskopinio lanksto smeigę ir gembę. Įdiegus
tokio lanksto gamybos technologiją, galima imtis kurti daug
sudėtingesnius trimačius darinius.
Tačiau, pasak buvusio K. Pisterio studento Ellioto Hui, mūsų
norai kartais atsimuša į galimybių ribos
mūrą. Vieną silicio plokštelę, kaip ir
popieriaus lapą galima sulenkti tik baigtinį skaičių kartų, todėl dariniai
negali būti kaip norima sudėtingi.
Plėtodama trimačių darinių gamybos
technologiją, M. Boncheva bando žengti
dar vieną žingsnį - iš jau sulankstytų
trimačių blokelių kurti dar
sudėtingesnius darinius.
M. Boncheva dirba ne su siliciu: ji savo tuščiavidurius blokelius
kuria iš vario; kiekvienas iš jų lankstomas
iš folijos išklotinės. Nors M.
Boncheva kiekvieną blokelį kruopščiai
sulanksto rankomis, jos įsitikinimu, jie
galėtų būti gaminami serijiniu būdu, nes
jų gamybos technologija jau egzistuoja. Ji labiau suinteresuota
pademonstruoti principinę galimybę jiems
patiems susiformuoti į didesnius objektus.
Montuodama savo darinius, ji naudoja lydmetalį. Jos metodas
remiasi Imperial College London darbuotojo Richardo Symso ir
kolegų darbais ir sukurtas anksčiau nei
mikrosurinkimas silicio lankstais. Paimkime vario lapelį ir išilgai jo
centrinės lankstės nusodinkime lydmetalį.
Kai lapelį pakaitinsime, lydmetalis
ištirps ir subėgs į lašelį. Skystas
lydmetalis drėkina vario lapelį ir paviršiaus
įtempimo jėga sulanksto abi lapelio puses.
R. Symsas tvirtina, kad tą
pačią gudrybę taikydamas siliciui,
kampą tarp jo sienelių gali nustatyti
1/60-osios laipsnio tikslumu. Tam tikslui prie vienos lankstomo silicio
plokštelės lygiagrečiai lenkimo linijai
pritvirtinamas dar vienas lankstas, vadinamas mechaniniu ribotuvu. Kai kita
pagrindinio lanksto pusė ima kilti, laisvasis ribotuvo galas ja slysta, kol
įsiremia į tiksliai nustatytą atramą.
Taip fiksuojamas tikslus kampas tarp dviejų lankstomų silicio plokštelių.
M. Boncheva šią technologiją
taiko labai tikslioms vario ar silicio išklotinėms ruošti. Iš jų
formuojami įvairūs komponentai. Tęsdama
Harvardo universiteto laboratorijos kolegų darbą, M. Boncheva 2002 m.
suformavo du elektrinius komponentus - žiedinį generatorių ir postūmio
registrą, kurie surenkami iš
tuščiavidurių vario prizmių ir vėliau
jungiami tarpusavyje.
Tokie komponentai naudojami šiuolaikinėje skaitmeninėje
technikoje. Žiedinis generatorius yra grandinė, generuojanti aukštojo ir
žemojo lygmenų įtampą. Postūmio
registro paskirtis - išsaugoti gaunamuosius duomenis ir juos siųsti pastumtus
per vieną skiltį. Sujungti žiedinis
generatorius ir postūmio registras veikia
kaip procesorius. Kai generatorius generuoja aukštą įtampą, postūmio
registras atminties duomenis pastumia į kairę, kai žemą - į dešinę.
Šis rezultatas, kurį nesunkiai galima pasiekti ir įprastinės
fotolitografijos būdu, gal ir nedaro įspūdžio.
Tačiau M. Bonchevos prietaisas susiformuoja pats, be žmogaus rankų ar
įtaisų prisilietimo. Paruoštos
susirinkti prizmės atrodo kaip mažytės
statybinės plytos, iškarpytos kaip
trikampiai pyrago gabalai. Kiekvienas "pyrago gabalas" šonuose turi lydmetalio
lašelius, o jų viršuje įmontuoti žalias
ir raudonas šviesos diodai, kurie informuoja apie postūmio registro
darbo režimą. Lašeliai ir šviesos diodai
susijungia prietaiso susiformavimo metu, kai prizmės tarsi vėrinio karoliai
veriami ant jungiamojo laido.
Užnėrusi prizmes ant laido, M. Boncheva jas krato šiltame
vandenyje. Nuo šilumos lašeliai suskystėja.
Kai skirtingų prizmių lašeliai atitinka
vienas kitą, jos susijungia. Lydmetaliui sustingus, susiformuoja grandinė.
Prijungusi prie abiejų jos galų įtampą,
M. Boncheva demonstruoja savo prietaiso veikimą.
Taigi apskritai toks sumanymas vaisingas. Deja, blokelių vėrimas
ant laido yra varginantis darbas. Be to, M. Boncheva svajoja nuo stambių
milimetrinių komponentų pereiti prie mikroskopinių. Todėl ji atsisakė
vielos ir dabar eksperimentuoja su įvairios formos dėklais, kuriuose
kaitinami komponentai. Prizmes pakeitė milimetrinių matmenų romboidai,
atrodantys kaip deformuoti kubai; jų viršutiniai ir apatiniai paviršiai yra
rombai, šonuose fotolitografijos būdu suformuoti elektroniniai grandynai,
o trys lydmetalio lašeliai dedami ant lygiagretainių paviršių ir sudaro
lygiakraščio trikampio viršūnes.
M. Boncheva šiuos romboidus dėlioja ranka iš vario folijos
išklotinės, tačiau kada nors juos teks formuoti
iš mikroskopinių silicio plokštelių
pagal kitų tyrimo grupių parengtas
savaiminio surinkimo technologijas. Kaip ir anksčiau, ji lydmetalio taškelius
uždeda reikiamose sienelių vietose, o
komponentus sujungia juos išlydydama.
Kadangi kiekvieno romboido lydmetalio taškeliai yra
lygiakraščio trikampio viršūnėse, du gretimus
romboidus galima sujungti tik dviem būdais: vienu atveju jie sulimpa savo
viršutiniais paviršiais, kitu - šonais ir
vienas kito atžvilgiu pasisuka
30o kampu. Susiformavusioje ilgoje
grandinėje dalis grandžių išsirikiavusios linija,
dalis - sukasi spirale. Pirmojo M. Bonchevos suformuoto vėrinio
romboidų grandinė buvo labai netvarkinga ir
jos grandys išsidėsčiusios
nenuspėjamai. Tokiu atveju apie veikiantį
prietaisą nėra ko ir galvoti. Technologija
turėtų garantuoti, kad kaskart gautume reikiamos formos darinį.
Tolesnius eksperimentus ji atliko, naudodama labai siaurą dėklą,
kuriame per maža erdvės, kad
formuotųsi sraigtinės sekcijos. Ir gavo tiesinę
sujungtų romboidų grandinę.
Naudodama erdvų dėklą, kad jame
formuotųsi sraigtas, ji pastebėdavo, kad
grandinėje būdavo tik sraigtinių blokų, o
ne tiesinių grandinės atkarpų.
Pradėjusi formuotis tiesinė sekcija
užkliūdavo už dėklo sienų ir sulūždavo.
"Tokiame dėkle tiesinės sekcijos būdavo
mechaniškai neatsparios, - komentavo M. Boncheva. - Šis
susiformavimo metodas kelia estetinį
pasigėrėjimą: juo galima kontroliuoti ne tik
darinio geometrinę struktūrą, bet ir
elektroninių prietaisų funkcionalumą".
Kiekvienas romboidų susijungimas yra ne tik mechaninis, bet ir elektrinis.
M. Boncheva šias dvi susiformavimo pakopas svajoja sujungti į
vieną technologinį procesą: iš pradžių
susilankstydami susiformuoja atskiri blokeliai, vėliau šie blokeliai, kaip kad
aprašyti romboidai, susijungia į dar sudėtingesnius trimačius darinius.
M. Boncheva tvirtina, kad vienpakopiu procesu galutinis darinys gali
susiformuoti netgi sklandžiau.
Sudėtingėjant trimačiams prietaisams, pirminių plokščiųjų
komponentų projektavimas tampa tikru galvos skausmu. "Būtų puiku, jei
sukurtume savą plokščiųjų darinių
projektavimo technologiją. Kol kas tenka
taikyti bandymų ir klaidų metodą",
- tvirtina M. Boncheva. Štai kodėl galutinis gaminys būna panašesnis į
abstrakčiojo meno kūrinį ar karolių
vėrinį negu į postūmio registrą. "Juos
fotografuoju, o nuotraukas laikau namuose kaip papuošalus: kabinu
ant sienų, naudoju kaip knygų
skirtukus", - teigia M. Boncheva.
G. Barbastathis jau įveikė savo darinių išklotinių projektavimo
sunkumus ir į šį darbą įtraukė
MIT programuotoją Eriką Demaine`ą, kad
šis jam padėtų parašyti programą,
kuri kurtų kiekvieno sumanyto
trimačio darinio plokštuminę išklotinę.
M. Boncheva tikisi, kad programuotojai ir konstruktoriai ir jai
padės tobulinti susirinkimo procedūrą. Ji
tikisi, kad ją susiras gamintojai, turintys gerų idėjų, bet negalintys jų
įgyvendinti. Tai būtų jos gebėjimų
išbandymas. Visa kita - tik laiko klausimas. "Turinių mikroskopinių darinių
laukia didelė ateitis", - tvirtina E.
Hui. Dabartiniai "karoliukai" kada nors taps ateities mikrolustais.