Нанотехнологии

На втором курсе института, когда нам рассказывали «Историю науки», я помню, как слушал про студента, который забыл выключить тигель, и совершившего открытие, или одного известного ученого, получившего яблоком по голове, и думал, что это сказки, и в современной науке такого не бывает. В принципе, если посмотреть на публикации в топовых физических журналах, видно, что все они — результат долгого упорного копания в одном направлении. Новоселов с Геймом даже нобелевку получили не за открытие, как таковое, а за «планомерное исследование свойств». Но, тем не менее, открытия в современной науке все-таки случаются, и я хочу рассказать об одном из них, будучи его соавтором.

Эта неделя оказалась урожайной на новости, связанные с прикладными применениями графена и других нано-материалов. Сначала был ультратонкий транзистор, теперь в том же журнале Nano Letters опубликовали статью о разработке молекулярного нано-двигателя, в котором графеновый слой играет ключевую роль. Этот двигатель состоит из высоко-эластичной мембраны, играющей роль поршня, и молекул ClF₃, являющихся рабочим телом. Объем рабочего тела изменяется под воздействием лазера. Нано-двигатель развивает давление до 10⁶ Па и выдерживает более 10 000 циклов.

Учёные активно изучают возможности получения новых материалов, аналогичных графену, — состоящих из слоя вещества толщиной в один атом. Существенный прогресс в последнее время был продемонстрирован в получении фосфорена — материала, состоящего из одного слоя атомов фосфора.

Кристаллическая структура фосфорена (Credit: Han Liu et al.)

Исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ, как повысить КПД обычных солнечных панелей. Они предлагают внедрить промежуточный нагревательный элемент между потоком солнечного излучения и поверхностью панелей. Идея в том, что при нагревании этот элемент будет излучать в спектре, который лучше подходит для поглощения стандартными кремниевыми элементами.


Нанофотонный солнечный термофотоэлектрический элемент, составленный из нескольких слоёв углеродных нанотрубок в качестве поглотителя и фотонного кристалла Si/SiO₂ в качестве излучателя, а также солнечной фотоячейки на 0,55 eV

В прошлой статье помимо всего прочего было упомянуто, что пора бы завершить эпопею с написанием статей о микромире, окружающем нас повсюду, но не тут-то было…

В первой части сего длительного повествования было показано, что побороть кристаллического кремниевого монстра фотовольтаики будет очень не просто, в особенности, органическими молекулами, но так ли это на самом деле? Что есть такого в третьем поколении солнечных элементов, чего нет у предыдущих двух?!

В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).

Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?

Канадский производитель одежды Garrison Bespoke разработал мужской костюм, который наверняка понадобится многим бизнесменам и политикам. На первый взгляд костюм не отличается от классического, но сделан из ткани на основе углеродных нанотрубок. Такая ткань останавливает пули до сорок пятого калибра и защищает от колющих ножевых ранений. Она на 50% легче кевлара и в 30 раз прочнее стали.

Всем известны свойства ионисторов — эти электрохимические устройства сочетают свойства конденсаторов и химических батарей. Они способны очень быстро заряжаться/разряжаться и хранить гораздо больше энергии, чем обычные конденсаторы, за счёт уникальной особенности — двойного слоя ионов и противоионов, которые выполняют роль обкладки электролита.

Никто раньше не мог предположить, что возможно создание ионисторов из кремния, без применения химического электролита. Однако, научная статья в журнале Scientific Reports от 22.10.2013 г свидетельствует о том, что учёным из университета Вандербильта удалось это сделать. Они впервые в мире создали кремниевый ионистор методом травления кремниевой подложки и покрытия «вафли» графеном.

Сложно даже описать, какие перспективы это сулит для мобильной электроники, ведь теперь хранить заряд можно непосредственно на микросхеме, без необходимости заряжать химический аккумулятор! Представьте солнечные батареи, которые запасают заряд и выдают электричество круглые сутки. Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер. И это только самые очевидные примеры.

Учёные из Университета Райса обнаружили, что слой шестигранного нитрида бора (h-BN) толщиной всего в несколько атомов, защищает покрытое им вещество от окисления даже при высоких температурах.
Один или несколько слоёв материала, называемого «белым графеном», защищают никель от ржавчины даже при температурах до 1100 градусов Цельсия и могут быть произведены с формой и размерами пригодными для промышленного применения.
Паликель Аджаян (Pulickel Ajayan) и Джун Лу (Jun Lou) опубликовали в журнале Nature Communications своё исследование, посвящённое веществу, сохраняющему стабильность при температуре до 1 500 градусов, и не вступающее при этом в реакцию с большинством химических веществ.

Пялиться на структуру молекул — это то, что делают химики. Технология, которая позволит им лучше это делать — окажет громадное влияние на эту область. Например, ученые из Китая отчитались о первой визуализации водородных связей с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Паутина — прочнейший из известных материалов, производимый живыми организмами, и даже кевлар уступает ей более чем в 10 раз. Теперь учёные усилили её углеродными нанотрубками, делая её крепче обычной паутины, и повышая её электрическую проводимость, что может привести к созданию новой паутино-электроники.
Естественная прочность нити делает её потенциально ценной для коммерческого применения во многих областях. Исследователи уже изучают её медицинский потенциал, например, при создании искусственной кожи или сухожилий.
Кроме того, паутина может сильно сокращаться, полагаем это свойство может пригодиться при производстве искусственных мышц для роботов или протезов. К примеру, паутина толщиной всего в 1 мм может поднять груз весом в 5 кг, что в 50 раз больше того, что могут поднять наши мышцы той же толщины.
Прим. переводчика: видимо имеется ввиду суперконтракция:

Когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.

Большая прочность и гибкость делает её привлекательным материалом для использования в электронике, но такое применение зависит от того насколько совместимой с электропроводящими материалами сделают её учёные. Вот почему они объединили паутину с углеродными нанотрубками, чья электропроводность привлекала исследователей десятилетиями.

4-дюймовая пластина содержит микропроцессоры из углеродных нанотрубок

Миниатюризация электроники — главная движущая сила компьютерной революции, она позволила добиться нынешней мощности и энергоэффективности компьютеров. И хотя прогресс в кремниевых микросхемах ещё продолжается, но появляются и более совершенные технологии производства электроники.

Одно из самых перспективных направлений — углеродные нанотрубки. Учёные уже собирали из них отдельные транзисторы (первый показали в 1998 году) и убедились, что уникальный материал обеспечивает гораздо более высокую энергоэффективность при таком же быстродействии, что и кремниевые транзисторы.

Но сейчас произошло историческое событие, которое наверняка войдёт в учебники. Группа учёных из Стэнфордского университета собрала первый в истории полноценный процессор целиком из углеродных нанотрубок. Научная работа заслуженно попала на обложку сегодняшнего номера журнала Nature.

Прим. переводчика: в предыдущем моём посте была ссылка на эту новость (хотя ей самой скоро полгода), но мне показалось, что она заслуживает отдельного поста.

Восстановление Т-1000, которого перед этим разнесло в клочья, не тоже самое, что и самосборка наночастиц, но идеи похожи. Впервые в истории ученые наблюдали процесс самосборки наночастиц в режиме реального времени. Частицы на видео не превышают в размере жалкие 12 нанометров. Это настолько мелко, что Аргоннской Национальной Лаборатории Министерства Энергетики США пришлось воспользоваться просвечивающим (трансмиссионым) электронным микроскопом, расположенным в их Центре Наноматериалов, для захвата быстродвижущихся наночастиц.

Чтобы заставить их пересобираться, исследователи покрыли наночастицы золота (NPs) положительно заряженными ионами цетилтриметиламмония (CTA+) и отрицательно заряженными цитрат-ионами в жидкой водной ячейке. Под воздействием пучка электронов, излучаемого микроскопом, образовавшиеся высокоэнергетические электроны уменьшили общий положительный заряд CTA+, покрывающего наночастицы золота, вследствие чего силы электростатического отталкивания между ними также уменьшились, приводя к соединению отдельных частиц в одномерные структуры. Отрицательно заряженные частицы, покрытые цитрат-ионами, напротив, оказались устойчивы, независимо от интенсивности излучения.

Испанские ученые, не зря назвали «Терминатором» разработанный ими полимер. Как и T-1000, разорванный в клочья, он способен спонтанно и самостоятельно восстанавливаться без какого-либо внешнего вмешательства.

Ученые уже добились, чтобы наночастицы сами собирались в определённом порядке, и даже создали микрочип, который сам может восстанавливаться. Но этот полимер — первый в своем роде.

Это прорыв, который в конечном счете можно использовать для создания материалов, улучшающих безопасность и срок службы пластиковых деталей в электронике, автомобилях и домах.

Скоро стартует набор в кружки знаменитой школы 239 (Санкт-Петербург). Для детей Питера и ЛО, с 6 по 11 класса. Все занятия бесплатные и проводятся ведущими преподавателями в своей области.

Уверен, хабровчанам будут интересны следующие направленности:
Математический центр
Робототехнический центр
It направление
Нанотехнологии (да, в 239 есть своя нанолаборатория)

В начале июля 2013 года в журнале Nature увидела свет одна примечательная статья, материал которой лишний раз доказывает, что дешёвой и простой солнечной энергии быть, и, более того, это дело уже ближайшего будущего.

Не так давно мы вошли в тот период развития технологий, когда электронные компоненты настолько миниатюризировались, что создание крохотных гаджетов перестало быть проблемой для инженеров. Проблемой стали сами люди, потому что управлять, да и просто удерживать в руке устройство меньше, чем среднестатистический сотовый телефон неудобно чисто анатомически. И всё же, вектор на увеличение компактности электронных устройств обещает нам открытие новых горизонтов. А развитие нанотехнологий стало, фактически, краеугольным камнем, на котором будут основаны все прорывные изобретения и технологии: создание новых, «анатомических» интерфейсов для взаимодействия человека с электронными устройствами, снижение энергопотребления и веса, внедрение электроники в традиционные «аналоговые» сферы. Например, гибкие экраны и «электронная ткань». В последние годы периодически появляются новости от разных компаний, рапортующих о создании прототипов гибких экранов. Судя по всему, мы достаточно близки к появлению первых коммерческих образцов по-настоящему носимой электроники. Однако сам принцип носимости подразумевает интеграцию цифровых технологий прямо в одежду. И идея создания «умной» одежды не то что бы давно витает в воздухе, а работы по ней тоже ведутся в различных странах. Однако практическая реализация этой идеи упирается в целый ряд пока непреодолённых технологических задач, из которых одной из важнейших является обеспечение компактности и высокой ёмкости источника энергии. Одним из решений может стать создание ткани, которая самостоятельно генерирует и хранит запас электричества.

К сожалению, в отличие от обычных полупроводников, находящих широкое практическое применение, графен, материал, на который в последнее время возлагаются большие надежды, не имеет запрещённой зоны, что означает сложности или полную невозможность построения транзистора нового поколения на его основе. Гуаньсюн Лю и его коллеги заявили, что они нашли обходной путь, отличный от используемого в обычных транзисторах.

За последние пять десятков лет развитие кремниевой электроники во многом происходит благодаря уменьшению отдельных компонентов на кристалле. Однако, всему есть свои пределы, и эксперты считают, что подобное продлится не далее 2026 года. Учёные всего мира находятся в активном поиске материала, способного заменить кремний, и часто взоры обращаются на графен.

В полупроводниках, используемых в транзисторах, существуют, как и в любых твёрдых материалах, зона энергии, в которой электроны могут свободно течь, что делает их проводником и «открывает» их, и зона, в которой их движение невозможно, что вызывает «закрытие». Для открытия и перехода в состояние зоны проводимости требуется относительно малое количество энергии. Именно эти свойства определяют принципы и характеристики полупроводниковых транзисторов. Однако, отсутствие у графена запрещенной зоны серьёзно ограничивает его использование в качестве транзистора: у графена нет областей энергии, которыми не может обладать электрон в кристалле. На практике это означает невозможность «отключить» графеновый транзистор.

Привет, Хабр!

Некоторое время назад я писал про возможности использования в быту различных химических составов, позволяющих добиться гидрофобности обрабатываемой поверхности. Представляю Вашему вниманию первые испытания состава NeverWet.