Атомарный 3D принтер, Атомарный 3D принтер

[vasanov]

Я неоднократно писал, что для дальних космических полётов нужен атомарный 3D принтер, чтоб мы могли из отходов жизнедеятельности экипажа, вновь поатомно создавать новые продукты питания витамины, кислород и всякие другие полезные вещи. Да, и вообще, такой атомарный 3D принтер значительно упростит нашу жизнь.
В принципе, сканирующий туннельный микроскоп уже давно может переносить отдельные атомы и устанавливать их в нужном порядке на специальной подложке. Это уже больше 30 лет умеют делать и удивительно, почему за это время никто так и не создал атомарный 3D принтер. Везде только и говорится о медленной скорости поатомной сборки, на этом все и успокаиваются. Но ведь скорость сборки можно значительно увеличить. Я попытаюсь представить как это можно сделать.
Минимальный размер элемента поатомной сборки ограничен минимальным размером иглы-щупа туннельного микроскопа из этого и будем исходить. Поэтому делаем на кристалле (по технологии изготовления микросхем) матрицу из иголок с отдельным управлением для каждой иглы. Допустим мы добились расстояния между соседними иглами в 100 атомов. Все иглы жестко закреплены на кристалле и все одной высоты. Пусть для начала мы смогли сделать кристалл 1000х1000 игл, теперь мы можем одновременно переместить и осадить на специальной подложке одновременно 1 млн. атомов за раз. Затем перемещаем матрицу с иглами к специальному бункеру, тоже кристаллу и захватываем новую порцию 1 млн. атомов переносим и осаждаем их рядом с теми атомами, которые уже раньше отложили на подложке, сначала,допустим, слева направо и потом сверху вниз и так до тех пор пока не соберём на подложке слой толщиной в один атом и количеством 100 000х100 000 атомов. Затем точно так же будем наносить второй слой, третий и так далее . Каждой иглой мы электрически управляем отдельно с помощью компьютера. Также с помощью этой матрицы с иглами контролируем качество сборки и исправляем дефекты если они появились. К каждой игле будем цеплять нужный атом, чтоб создать правильный поатомный слой, например кусочка мяса, со всеми нужными компонентами. В результате, после многих манипуляций, получим такой себе кубик из мяса размерами 100 000х100 000х100 000 атомов.
Для такой сборки нам понадобятся специальные поатомные сортировщики устроенные наподобие матрицы с иглами, но они будут из мусора и отходов выбирать нужные атомы и осаждать их на подложки картриджи атомами одного типа, допустим только атомы водорода или атомы кислорода или только атомы железа и т.д. Затем с подложек будем брать нужные атомы одного типа в слое.
По такому же принципу будем послойно разбирать нужные образцы, например мяса и создавать электронные эталоны нужных веществ в памяти компьютера. Чтоб по этим эталонам мы потом могли создавать нужные вещества: мясо, пшеницу, прцессор компьютера, шестерню трактора и т.п.
Для создания более быстродействующих компьютеров и атомарных 3D принтеров будем использовать такие же поатомные сборки на атомарных 3D принтерах.
Для ещё большего быстродействия будем увеличивать кристаллы с иглами до большего количества игл на кристалле и применять конвейерный способ. Пока один кристалл с иглами осаждает атомы на подложке, другой рядом приготовлен осадить свою порцию атомов, третий и четвёртый набирают с картриджей нужные атомы, пятый и шестой готовятся набрать свою порцию атомов, седьмой ремонтирует свои повреждённые иглы и так далее.
Скорее всего все процессы сборки и разборки придется делать почти при абсолютном нуле, когда все химические процессы замедлены, чтоб не возникали побочные химические соединения. Но может удастся за счёт большой скорости сборки и быстрого исправления ненужных дефектов работать и при комнатной температуре.
Вот, примерно так, я себе представляю работу атомарного 3D принтера. Надеюсь китайцы это прочтут и быстро наладят массовое производство атомарных 3D принтеров. В принципе, сначала сделав простенький атомарный 3D принтер, с его помощью сделать более сложный и так далее, а уж навороченные атомарные 3D принтеры будут поатомно штамповать всё, что нужно и очень быстро.

[vasanov]

У меня иглы на кристалле- матрице вплотную прижаты друг к другу, до кончика иглы не больше 5-7 атомов, расстояние между соседними иглами тоже 5-7 атомов- этого вполне хватит, чтоб прицепленный к игле атом никуда не сбежал. Тем более криогенные температуры, все химические и тепловые процессы замедленны.
И такие кристаллы-матрицы с иглами мы будем на атомарном 3D принтере делать, а не литографией, точность в один атом и совершенно без дефектов, всё же под контролем компьютера, там ошибки сразу обнаружатся. Эта матрица с иглами тем же сканирующим туннельным микроскопом и останется. Цикл работы матрицы такой:
1.Подход матрицы к матрице картриджу с однотипными атомами.
2. Подача потенциала на те иглы которые должны захватить нужные атомы.
3. Захват нужных атомов и контроль их наличия на иглах.
4. Перенос атомов на подложку.
5. Сброс потенциала с игл и оставление атомов на подложке.
6. В режиме микроскопа, подтверждения нахождения атомов на своих местах,
7. Если атомы не осели на своё то повторение в местах дефектов с пункта 1.
8. Если все атомы на своём месте, то матрица с иглами перемещается для захвата новой порции нужных атомов .
9. Перемещение и укладка новой порции атомов, но со сдвигом на один атом вправо.
10. Контроль наличия атомов на местах.
11. Всё с п.1, но смещая ещё на один атом вправо и так пока не закончим один ряд
12. Всё тоже самое, но с возвращением матрицы влево и смещение на один атом вниз.
13. Так же заполняем и второй ряд и последующие.
14. После 100 перемещений весь первый слой атомов заполнится.
15. Всё тоже самое но для второго слоя атомов.
16. Тоже для всех последующих слоёв.
17. Когда макаронина с продуктом закончится, открепляем, перемещаем её в накопительный бункер. 18. Изготовление другой макоронины продукта.
19. Перемешивание макоронин и формирование из них сосиськи.
20. Тоже самое но для булочки с хлебом.
21. Тоже самое для майонеза.
22. Формирование сосиськи в тесте.
23. Всё хот дог готов.Приятного аппетита.
Примерно так и другие продукты изготовим. Ну, а с другими устройствами попроще будет, там атомы более однотипные, например в тракторе.

[vasanov]

Опять же насчёт печатающей матрицы с иголками. Это я кратко описал основные принципы быстрой печати. На самом деле это просто одна печатная головка. Таких головок будет много и печатать они будут на одной подложке, чтоб получать большие по объему продукты, то есть гамбургер или хот-дог целиком, а не кашу из клейковины и мясных волокон.
Программа для управления будет не сложная. Там просто жёсткий алгоритм движения головок по стандартной траектории заполнения слоёв. Больше понадобятся объёмы памяти, для хранения электронных эталонов необходимых продуктов. Но , думаю, с помощью атомарных 3D принтеров, вполне можно создать ячейки памяти размером с атом и с записью целого машинного слова на атоме, а не только одного бита. Опять же при поатомной сборке, можно создавать процессоры не планарной конфигурации, а объёмной с множеством слоёв, что позволит ещё больше повысить производительность процессоров, память тоже будет объёмная. Перегрев элементов процессоров тоже можно решить, встроив прямо в объёмные кристаллы системы каналов для охлаждающей жидкости, при поатомной сборке это будет не сложно. Конечно хранить весь поатомный состав того же гамбургера не нужно, там же в основном вода и типичные структуры, поначалу можно хранить сжатую информацию для стандартных блоков. Ну, а потом по мере совершенства компьютеров можно будет хранить точные поатомные электронные копии (хотя бы того же человека). Можно например разобрать покойничка и снова поатомно собрать его попутно исправив смертельные дефекты. Интересно, перенесётся ли сознание в точную копию, ведь все нейронные связи будут точно такими же как и при жизни, ну разве, что все клетки можно омолодить, даже исправить некоторые дефекты, вплоть до полного изменения внешности. Умер зачахликом, а возродился Ален Делоном с фигурой Шварцнегера. Но о фантастике не сейчас. Создать хотя бы прототип атомарного 3D принтера.
Как уже поняли этот принтер будет и разрушающим сканером с помощью которого можно поатомно разобрать любой продукт и сделать его электронную копию в памяти компьютера, а потом по эталону штамповать эти продукты из мусора и отходов, лишь бы подходящих атомов хватило. Но принтер сразу выдаст предупреждение если нужные атомы закончатся и остановится ожидая необходимую порцию отходов.
Ещё одно преимущество такого принтера, по сравнению с обычным 3D принтером. Мы всегда видим, что печатаем, на каждом этапе, на поатомном уровне. Это не обычная слепая головка 3D принтера мотыляющая давно сорванной деталью по всей подложке и натужно ревя при этом от неожиданной перегрузки.
Конечно у этого принтера останутся такие же недостатки как и обычных 3D принтеров - сложность построения арочных конструкций, где у верхнего слоя нет опоры. Возможно придётся её решать как и обычно, с созданием временной опоры, а может и вращением подложки в нескольких плоскостях или какими нибудь небольшими временными опорными щупами, но это всё технологические детали и о них ещё рано думать. Научится бы сначала штамповать сплошные конструкции, без пустот. Хотя может у атомарных принтеров и не будет таких недостатков. Это обычный 3D принтер не может прилепить каплю к пустоте. А атом на иголке вполне подвижен и вполне может прилипнуть к боковому атому уже расположенному на подложке, ему не нужна только нижняя опора, подойдёт и опора сбоку. Ведь атом это уже минимальная точка (пиксель) вещества, меньше уже некуда, нуклоны не в счёт.

[vasanov]

Раньше я считал примерную скорость печати атомарного 3D принтера и хоть и пересчитал, но всеравно ошибся, исправить уже не могу. Попробую пересчитать, с более приближенными к современным микросхемам. Сейчас, уже до нескольких триллионов транзисторов размещают на кристаллах, значит смело можно брать кристалл-матрицу с иголками 1 000 000х1 000 000 штук. Остальное оставим то же, что и раньше, но с учётом многих недовольств, возьму расстояние между иголками 20 атомов, то есть в два раза увеличу размеры иголок и проводников с изоляторами. Количество нанесения слоёв атомов за секунду 5, так как не знаю на сколько увеличится скорость печати при уменьшении деталей до микромасштабов. Итого, мы сможем в секунду нанести 20 000 000х20 000 000х1 800 атомов или 7.2*10^17 атомов, примерно 10 000 бактерии или 1000 клеток мяса. Размеры такой матрицы с иголками будут примерно 10х10х1 мм, с учётом всяких механизмов привода в куб 50х50х50 мм запихнём 10 таких кристаллов, итого в куб 500х500х500 мм влезет 10 000 штук матриц с приводом. Все они за секунду смогут печатать 100 000 000 бактерий или 10 000 000 клеток мяса. По моему не плохо для размеров микроволновки. С компьютером для такого принтера придётся немного поработать, если в качестве памяти компьютера использовать матрицы наподобие, то банка памяти вполне хватит для хранения электронных копий разных продуктов. С быстродействием компьютеров нужно будет ещё поработать. В общем, считаю, что атомарный 3D принтер с компьютером и компрессорами вместится в куб 1х1х1 метр, то есть в размеры стиральной машинки. Потребление электро энергии на уровне 3-5 кВт*час (с учётом рекуперации энергии).
Кто сомневается, в возможности создания атомарного 3D принтера, просто посмотрите в сад, хотя бы на яблоню или в огород на куст помидоров, там природа на более примитивных природных механизмах практически из атомов создаёт яблоки и помидоры, а энергию потребляет от солнца, думаю технические механизмы могут работать гораздо лучше природы.

[vasanov]

Просто я оценил, что уже с триллионами транзисторами наши технологи умеют работать. Я же говорю, что матрицы с иголками мы будем не литографией делать, а на менее производительных первых атомарных 3D принтерах, с поатомной точностью и плотностью элементов. При расстоянии между иголками 20 атомов, матрица с триллионом иголок и вместится на кристалл 10х10х1 мм. Опять же скорости печати я брал от средних обычных 3D принтеров. Но при меньших размерах механики прочность деталей увеличивается и реально скорости можно значительно увеличить, возможно и в тысячи раз и миллионы раз. Вот я занимаюсь матричными принтерами параллельной печати, там иголками наносится 2 000 строк символов(букв 9 точек высотой) в минуту, некоторые и до 5 000 строк дают. Это около 5 млн. пикселей в секунду наносится, я брал 300-500 пикселей. Чувствуете разницу, даже для обычной механики, даже с ней уже можно скорость в 10 000 раз увеличить. Я просто сильно не наглел, считал по скромному, чтоб сразу не шокировать.

[vasanov]

В принципе, не так уж и сложно и самому на кухне на коленках , сделать атомарный 3D принтер. Конструкции сканирующего туннельного микроскопа довольно примитивна, сложность только с точной механикой. Но такой принтер можно постоянно совершенствовать. Например,сначала, вручную собрать матрицу 2х2 иголки, автоматизировать процес под компьютерным управленем, потом уже автоматически поатомно собрать матрицу 10х10 иголок, потом 100х100 и так далее. Для начала можно печатать не сложные вещества, например, алмазы и даже гранённые небольшие бриллианты, с атомарной точностью. Для этого даже не нужны криогенные температуры и вакуум. Так можно быстро окупить свои расходы.Ну, а потом уже можно делать более сложные атомарные 3D принтеры, способные поатомно печатать всё , хоть хот-дог, хоть процессор для компьютера, с размером транзистора в 3 атома. И всё это делать самому, а не ждать когда китайцы начнут массово штамповать такие принтеры.

[Химик]

Посчитай производительность такого 3D принтера и успокойся.
Лучше реализуй 3D-печать проволокой диаметром 1,5 мм из цинка Ц1 - такую выпускает промышленность.
Цинк твёрдый, легкоплавкий и скользкий - а значит особо годен для изготовления узлов испытывающих трение - именно они быстрее всего выходят из строя. Обломки же можно снова перелить в проволоку.