Юный техник, 2008 № 06 - Журнал «Юный техник»

Испытания резиновой дороги.

Первый опыт эксплуатации резинового шоссе показал, что оно по многим показателям не уступает и даже превосходит обычное асфальтовое покрытие. А по стоимости — 0,8 млн. фунтов стерлингов за километр — такая чудо-дорога в несколько раз дешевле обычной. Ведь делают ее буквально из бросового сырья — в том же Соединенном Королевстве ежегодно автомобилисты пытаются избавиться от десятков миллионов старых шин. А тут они пошли в дело, в количестве 220 тысяч штук на каждый километр дороги. Причем скорость укладки такого покрытия феноменальна: всего четыре человека с минимумом механизмов укладывают 300 метров такой трассы за 5 дней.

В дальнейшем компания намерена разработать более крупные цельные резиновые блоки, так что монтаж пойдет еще быстрее.

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА

Мир микромашин

Вы помните, наверное, сказку Лескова о тульском Левше и его товарищах, без «мелкоскопа» подковавших «англицкую блоху». Изготовление микроэлектромеханических систем требует сегодня особых приемов и технологий, которые и присниться не могли легендарному мастеру.

Наиболее мелкие детали до недавнего времени мы видели внутри наручных часов. Но даже самое малюсенькое колесико таких часов кажется огромным в сравнении с деталями современных микромашинок, изготавливаемых на заводах, где производят микросхемы. Плоские моторчики диаметром 100 мкм и шестеренки толщиной 1 микрон сегодня уже не удивляют.

Но любая микромеханика без встроенных микросенсоров будет слепа и сможет работать только по твердо заданной программе. И потому сегодня разработаны микропроцессоры, содержащие до 60 различных датчиков на одном базовом кремниевом кристалле. Причем изготовляется эта умная и чувствительная схема в едином технологическом процессе. Она является поистине интегральной, поскольку объединяет в себе не только тысячи резисторов и транзисторов, но и целую систему измерителей и исполнителей. Такая система способна не только «чувствовать», но и перемещать небольшие массы на вполне заметное расстояние.

Одним из наиболее массовых изделий такого рода являются, например, датчики столкновения в современных автомобилях. Микропроцессор постоянно анализирует сигнал, поступающий от микроакселерометра, и, если ускорение автомобиля превышает опасный предел, мгновенно принимает решение об активации системы безопасности (скажем, надувает подушки, смягчающие удар).

Полупроводниковые интегральные датчики давления используются также в медицинских тонометрах и весах, позволяющих с высокой точностью взвешивать вещества, например, при изготовлении лекарств.

Кремниевая микроцепь, состоящая из 50 звеньев толщиной всего в 50 микрон, подобно обычной велосипедной цепи, позволяет передать вращение с шестеренки на шестеренку.

Главные орудия производства микромеханических устройств — это световые лучи и химические реакции. Проецируемые на кремниевую пластину (вейфер), как на экран, различные изображения с фотографической точностью формируют нужные структуры. Причем и проявка, и нанесение фоточувствительного слоя могут быть многократными, так же как и растворение лишнего материала, и наращивание новых слоев кремния и его соединений, а также металлических проводников. В итоге технологический процесс изготовления микромеханизма состоит из десятков стадий и занимает многие часы. Лишь когда «выращены» все шестеренки и закреплены все оси, система «размораживается» с помощью кислоты и приходит в движение.

Однако благодаря тому, что обработку одновременно проходят сотни кремниевых пластин с тысячами шестеренок на каждой, возможен массовый выпуск сложных микромеханизмов по вполне приемлемой цене.

Причем кремний уже не единственный претендент на звание основного материала микромеханики: полимеры, отверждаемые светом, оказывается, можно использовать не только для зубных пломб, но и при изготовлении объемных микроконструкций. В этом случае формирование твердой основы механизма производят сфокусированными лазерными лучами.

Лазерная технология позволяет создавать микроизделия самой причудливой формы и допускает полную автоматизацию процесса. Еще шире круг обрабатываемых материалов и меньше размер готовых изделий при использовании мощных ионных пучков.

Используя поток протонов, можно делать механизмы нанометровых размеров. Только вот законы квантовой механики уже отличаются от законов классической, и поведение машин с шестеренками всего из нескольких миллионов атомов не похоже на работу привычных часов.

Даже привычные схемы и приемы смазки на наноуровне уже не годятся. Действовать, согласно пословице, что, дескать, кашу маслом не испортишь, здесь нельзя: излишек смазки может нанести вред сверхтонкому механизму.

В общем, хотя в распоряжении у инженеров есть несколько моделей, которые позволяют описать, каким образом свойства поверхностей влияют на трение, на атомном уровне механизмы процесса до сих пор во многом остаются загадкой.

И если раньше с этим еще было можно как-то мириться, то сейчас, когда в обиход все чаще входят не только микромашины, но и наноустройства, на эту проблему пришлось обратить особое внимание. Ведь чем меньше масштабы устройства, тем сильнее проявляют себя силы трения, а инженерного опыта здесь пока нет.

Говорят, скоро в кровеносной системе будут плавать микролодки.

Этот миниатюрный акселерометр используется в автомобильной системе контроля блокировки колес. Комфортная езда без заносов требует не только умных процессоров, но и чувствительных датчиков.

У оранжевой микрошестерни этого механизма диаметр в 100 раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Тем не менее, она четко передает движение от не показанного на рисунке микромотора, поворачивая зеленую шестерню со скоростью один оборот в секунду.

Любопытные исследования, проливающие свет на механизмы трения на атомном уровне, провела недавно команда ученых из Хьюстонского и Висконсин-Мэдисонского университетов. В ходе их выяснилось, как масса атомов на поверхности влияет на трение. Для этого исследователи покрывали поверхность кристаллов алмаза и кремния монослоем атомов водорода или его тяжелого изотопа — дейтерия. По идеально гладкому слою скользили иголкой атомно-силового микроскопа и измеряли силу трения иглы о поверхность. Трение о поверхность с дейтерием оказалось заметно меньше.

У дейтерия и водорода химические свойства одинаковы, и они одинаково взаимодействуют с материалом иголки. Только масса у атомов дейтерия вдвое больше, и его тяжелые атомы колеблются с меньшей частотой. Поэтому атомы дейтерия реже сталкиваются с атомами движущейся иголки, а, стало быть, меньше забирают у них кинетическую энергию.

В общем, это как раз тот случай, когда значение имеет уже диаметр атома. Теперь ученые стали лучше понимать механизм трения на атомных масштабах. А у инженеров теперь есть рецепт снижения, а если необходимо, и увеличения трения в новых микромашинах.

По материалам журнала SPLEast News

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА

Послание потомкам

Построив в горной толще или под землей хранилище радиоактивных материалов, период полураспада которых составляет десятки или даже сотни тысяч лет, его заполняют и запечатывают практически навеки. Однако, по идее, нужно бы дать весточку нашим отдаленным потомкам, чтобы не вскрыли случайно раньше срока опасные отходы. Но как это сделать?

Здесь, оказывается, есть над чем поломать голову.

Во-первых, носители информации должны быть достаточно долговечными, чтобы и через сотни тысяч лет безжалостное время не могло их разрушить. Во-вторых, достаточно понятными, чтобы наши отдаленные потомки не ломали себе голову, как исследователи нашего времени над древнеегипетскими иероглифами и шумерской клинописью.

Члены международной экспертной комиссии, которым поручили эту миссию, перебрав все возможные варианты, пришли к мысли, что надежнее всего использовать опыт предков — например, жителей Древнего Египта.

На месте захоронения предлагается построить приметное сооружение, напоминающее ту же каменную пирамиду, а в ней — камеру, надежно защищенную от внешних воздействий. А уже на стенах той камеры, напоминающей погребальные камеры древнеегипетских фараонов, высечь на каменных плитах соответствующие надписи на наиболее употребительных ныне языках нашей планеты — английском, испанском, китайском, арабском…