Следующий «век» цивилизации. Какой материал заменит кремний

Жизнь человека полностью зависит от микроэлектроники, основным сырьем для которой является кремний. Через несколько десятилетий человечество достигнет предельных мощностей: должна будет произойти «революция», во время которой появится новое «базовое» вещество.

«Создам проблемы из материала заказчика»

Понятие «наук о материалах» или «материаловедения» появилось не так давно: соответствующий факультет был открыт в МГУ им. М.В. Ломоносова лишь в 1991 году, в качестве медждисциплинарного подразделения на стыке химии, физики и математики. Но на самом деле оно существовало всегда: как только человеку понадобились орудия, он – методом проб и ошибок – выяснил, что разрезать мясо помогут заостренные камни, а подобие копья удобнее всего делать из дерева. И не наоборот. С тех пор открывались все новые и новые материалы, но цель оставалась прежней – максимально выгодно использовать свойства данного вещества для создания новых предметов.

В настоящее время материаловедение присутствует везде: ученые днем и ночью ищут металлы, не подвергающиеся коррозии, биоматериалы для имплантации в организм человека, полимеры которые смогут заменить вредный для атмосферы полиэтилен, и еще множество других веществ для различных задач. Разработав любой новый прибор, устройство или конструкцию, первый вопрос, который вы себе зададите – «Из чего я это сделаю?».

Но науки о материалах могут рассказать нам гораздо больше, и играют фундаментальную роль в жизни человечества. Каждый этап нашего развития знаменуется неким главенствующим материалом, определяющим пределы развития на данной ступени. Материаловедение может предсказать, каким будет следующий шаг, и даже полностью изменить течение эволюционного процесса.

От топора к империи

В ходе развития человечества каждый серьезный прорыв ознаменовывался открытием в области материаловедения. Переход от общества охотников и собирателей к созданию сельского хозяйства и Неолитической революции совпал с тем, что человек научился использовать естественные материалы – такие как камень и дерево – и применил их в земледелии. Наступил каменный век.

Металлы были известны, но в качестве случайных находок. Переход на новый уровень, бронзовый век, произошел с открытием процесса выплавки металлов. Технически это было очень серьезным достижением: выплавка бронзы требует температур не менее 1000 градусов Цельсия и определенного давления. Скорей всего впервые эти условия удалось достигнуть в печах для обжига глиняной посуды. С другой стороны, выгодные физические свойства бронзы – стойкость и прочность – возникают из-за сплавления двух металлов (в данном случае меди и олова). Почему при соединении характеристики металлов могут меняться и что именно при этом происходит – тема отдельного научного исследования, которое в древности, разумеется, было недоступно. Если бы открытия бронзы не произошло, эволюция человечества могло бы пойти совершенно по другому сценарию.

Приспособление железа, которое потребовало новой технологии – ковки взамен привычного литья – ознаменовало переход к железному веку. Появились новые сельскохозяйственные приспособления и оружие, печатная литература. Были основаны страны и целые империи. Железо дольше всего оставалось главенствующим материалом, через четыре тысячи лет придя к кульминации – промышленной революции. Но его позиции пошатнуло одно из открытий конца XIX века.

Загадочные лучи

В своей лаборатории в Кембридже Джозеф Джон Томсон пытался объяснить существование загадочных «катодных лучей». Это было «нечто», излучавшееся катодом вакуумной трубки и отклоняющееся в электрическом и магнитном полях. Он смог доказать, что эти лучи состоят из мельчайших отрицательно заряженных частиц, в две тысячи раз легче атома водорода. Очень скоро стало понятно, что те же самые частицы суть электрический ток, текущий по проводам.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию «за исследования прохождения электричества через газы», положив начало субатомной физике. Но вряд ли в то время он мог подозревать, что его открытие навсегда изменит течение истории человечества. Что обнаружение электрона –первый шаг в новую эру, которая ознаменовалась появлением электронных устройств.

На передний план выходят транзисторы

Развитие электроники началось с тех самых вакуумных трубок, которые разработал Томсон для своих исследований. С их помощью были созданы первые логические схемы, но они обладали очевидными недостатками, были громоздкими и ненадежными, что побудило ученых искать другие компоненты для создания электронных устройств.

Это привело к созданию полупроводниковых транзисторов. Сначала они делались из германия, но уже очень скоро его заменил кремний благодаря его отличительным свойствам. Для полупроводников важны квантовомеханические свойства материалов, поэтому внедрению кремния предшествовало полномасштабное развитие квантовой механики и дальнейшее изучение твердых тел в ее рамках. С другой стороны, во время Второй мировой войны была налажена технология получения веществ с высокой степенью чистоты, почти без примесей, что позволило улучшить исходные свойства германия и кремния в сотни и тысячи раз.

В 1956 году, ровно через пятьдесят лет после открытия электрона, Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли получили Нобелевскую премию за «исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

С тех пор мы живем в «кремниевом веке», в котором кремниевые транзисторы составляют основу практически всей микроэлектроники, без которой невозможная наша современная жизнь. Не только компьютеры и телефоны, но и транспорт, коммуникации, медицина – все управляется микроэлектронными устройствами. Свойства кремния были улучшены до невероятных показателей, и вместо огромных вычислительных машин мы имеем гаджеты размером со спичечный коробок. И в основе каждого из них – кремний.

Когда закончится кремний?

Согласно закону Мура вычислительные способности растут одновременно с уменьшением размеров и стоимости устройств. Но бесконечное уменьшение устройств невозможно – человек просто-напросто достигнет фундаментальных физических пределов, определяемых размерами атома. А значит, очень скоро кремниевая революция подойдет к своему логическому завершению. Создавать приборы еще меньше, еще легче и еще быстрее на его основе станет просто невозможно.

Казалось бы, ничего страшного: уже сейчас у вас на ладони поместится не один весьма мощный процессор. Разве этого не достаточно?

Но придется взглянуть на эту проблему более глобально: развивающиеся регионы только приходят к распространению интернета всегда и везде, а значит, и количество используемых микроэлектронных устройств будет только расти и расти. По подсчетам, через пару десятков лет половина энергии, вырабатываемой человечеством, будет потребляться вычислительными устройствами, и так долго продолжаться не сможет.

Необходимо сделать шаг вперед и разработать принципиально новую концепцию – значит, нужен новый материал. Без открытия новых веществ мы так и будем находиться в рамках старых представлений о принципах работы и возможностях устройств.

Новые горизонты

Можем предложить свой пример «материала будущего» - им могут стать мультиферроики, вещества, одновременно обладающие свойствами ферромагнетиков и сегнетоэлектриков. Это приводит к тому, что их магнитные свойства можно изменять при помощи электрического поля, в отличие от наших стандартных технологий, основанных на магнитных полях. Замена одного поля на другое может увеличить скорость, уменьшить размеры и снизить стоимость устройств, а также принципиально изменить архитектуру вычислений. Возможно, следующий век на нашем пути – век мультиферроиков?

Может быть да, может быть и нет. Помимо микроэлектронных устройств, у материаловедения еще много задач, и гораздо более важных. Проблемы изменения климата и загрязнения окружающей среды могут решиться исключительно путем создания новых материалов, которые станут экологически чистым и доступным источником энергии. В новых био- и биоразлагаемых веществах нуждается медицина. А отсутствие нужды в полезных ископаемых, часть из которых залегает в зонах конфликтов, убережет множество жизней.