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.

   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 30^o 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.