Нанотехнологии

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.

В понедельник представители компании «Самсунг электроникс» заявили о начале производства трёхмерных вертикальных микросхем NAND. В чипах флэш-памяти нового типа благодаря структуре из слоёв кремния достигаются лучшие характеристики в сравнении с двумерными чипами; согласно заявлению корейской компании надёжность увеличится в 2—10 раз, а производительность процесса записи — в два раза. Таким образом, «Самсунг» стала первой компанией в мире, запустившей массовое прозводство 3Д-чипов NAND-памяти.

Новая технология будет использоваться в широком круге задач, в том числе и для создания твёрдотельных накопителей объемом от 128 гигабайт до 1 терабайта. Продольная плотность записи новых микросхем составляет 128 бит, и они построены на основе технологии объемной памяти с ловушкой заряда (3D Charge Trap Flash). Обычная Charge Trap Flash впервые была представлена «Самсунгом» ещё в 2006 году.

Количество вертикальных слоёв микросхем достигает 24, но их толщина измеряется нанометрами, поэтому даже в микрометровом масштабе утолщение не будет заметно. Эксперты отмечают, что пределы количества слоёв пока неизвестны: сегодня это 24, в следующем поколении будет 32, а затем и это число увеличится.

Физикам из Массачусетского технологического института впервые удалось создать «идеальное зеркало» — материал, который без искажений отражает световые волны. Теоретически, это позволяет создать «вечную ловушку» для световых лучей. Научная работа “Observation of trapped light within the radiation continuum” опубликована в журнале Nature.

Феномен идеального отражения волн или «связанного состояния в континууме» (“embedded eigenvalue”) теоретически предсказал в 1929 году математик Джон фон Нейман, но до сих пор его никто не мог продемонстрировать экспериментально.

Недавно я обнаружил весьма печальный факт: на Хабре совершенно не освещена такая забавная тема, как ДНК-оригами. Есть только один пост 2009 года, рассказывающий лишь самое начало занимательной истории о том, как из ДНК (да-да, той самой дезоксирибонуклеиновой кислоты, несущей нашу генетическую информацию) можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нано-технология, как она есть. В этом обзоре я хочу рассказать о развитии ДНК-оригами: двухмерные смайлики из ДНК, трехмерные фигуры, кристаллы из ДНК с запрограммированной структурой, ДНК-«коробочки» с крышкой, способные нести молекулы нужных веществ и выпускать их после сигнала об открытии крышки, и, наконец, динамические структуры типа ДНК-шагохода (walker), гуляющего по подложке (создатели гордо говорят, что это уже наноробот!). Кто хочет узнать больше о том, зачем все это нужно, почитать о технологиях изготовления красивых нанометровых штук из ДНК или просто посмотреть красивые картинки, добро пожаловать под кат.


Так выглядит ДНК-наноробот

Добрый день, Хабр!

Сегодняшний краткий обзор посвящен составам, позволяющим добиться в домашних условиях супергидрфобности обрабатываемых объектов.


Длительное время ходит много разговоров о потенциале нанотехнологий, в частности, о нанотрубках, графене, фуллеренах и их применениям, которые способны решить все наши проблемы. Словом, очередной технологический прорыв вот-вот на носу. Однако, идут года и особых доступных «революционных» подвижек не набюлюдается. В связи с чем я и решил провести небольшое исследование западного рынка на предмет распространения новых материлов, благодаря которым можно будет упростить себе жизнь. Но обо всем по порядку.

Задача была поставлена просто: отыскать средство для покрытия поверхности для достижения максимальной гидрофобности, т.е. максимального снижения смачиваемости обработанной среды водой(в моем случае, красящей жидкостью, на основе воды). Наиболее простым, и, с точки зрения производства, выгодным, являются порошкообразные эмульсионные системы и составы, при высыхании создающие и/или оставляющие поверхность мизерной шероховатости (за счет заполнения трещин и углублений в материале частицами нанометровых масштабов) и со свойствами низкой интенсивности молекулярного взаимодействия веществ поверхностоной (нанесеной) фазы и жидкой среды.
Таким образом, задача технически состоит в том, чтобы удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела сред была чрезвычайно мала.

Не часто встретишь подобное на просторах Интернетов, особенно в России. Поэтому я хотел бы поделиться с уважаемыми Хабра-пользователями информацией об одном, как мне кажется, интересном и полезном конкурсе, в котором принять участие может практически каждый, кто когда-либо хотел написать рассказ о своём хобби, увлечении или серьёзном научном исследовании.

_{На фотографии: монодисперсная система оловянных частиц под электронным микроскопом.}

Группа ученых под руководством Максима Коваленко из лаборатории неорганической химии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий смогли получить новый тип наноматериала, помогающий сохранить в литиевом аккумуляторе значительно больше энергии.

Наноматериал состоит из крошечных фрагментов олова, которые закрепляются на аноде аккумулятора, его отрицательном полюсе. Принцип действия достаточно прост: при заряде батареи ионы лития поглощаются электродом, а во время работы и её разрядки они выпускаются обратно. Как объясняет сам Коваленко, чем больше ионов поглощается в процессе такого «дыхания», тем больше энергии может быть сохранено в аккумуляторе.

Выбор элемента для построения наноматериала был продиктован тем, что каждый атом олова может поглощать до четырёх ионов атомов лития. Здесь, однако, возникает проблема физического размера: кристалл олова увеличивается в размерах до трёх раз при поглощении ионов и уменьшается при их отдаче.

Посвящается всем, кто любил, помогал,
верил, поддерживал, несмотря ни на что,
и с кем я не мог быть рядом …

Всё хорошее когда-нибудь заканчивается. Мне безмерно жаль, что данный пост будет заключительным в серии увлекательного – по крайней мере, я надеюсь на это – путешествия в микро- и иногда даже наномир, о котором 50 лет назад без преувеличения великий физик Фейнман сказал: “There is plenty of room at the bottom”. Действительно внизу гораздо больше места, чем мы могли бы себе представить. Там, внизу, живут бактерии, размножаются растения и животные, работают наши повседневные приборы от кофеварки до Ватсона (Watson, IBM), там протекает невообразимое множество процессов, которые зачастую не дано понять и осмыслить человеку, но которые определяют наш мир.

Многое, конечно, осталось за пределами нашего рассмотрения в данной серии публикаций, однако даже того материала, который был представлен и будет сегодня пожалован на суд общественности с лихвой хватит для того, чтобы даже самого скептически настроенного обывателя заставить оглянуться вокруг и узреть многогранность мира. Не вдаваясь глубоко в философию Канта, моя максима такова: я желал бы видеть большую часть русскоговорящего населения, способного прочитать данный пост (будь то украинцы, россияне, прибалты или кто-либо ещё), заинтересованной и увлечённой – в моём случае, наукой и исследованиями – и, думаю, что немного преуспел на этом поприще.

Легенда математики и компьютинга — Стивен Вольфрам — всерьез обеспокоен проблемами куда более серьезными, чем изменение климата или перенаселение. Недавно он присоединился к Lifeboat Foundation — мозговому центру, призванному искать пути защиты человечества от смертоносного нано-оружия и взбесившегося искусственного интеллекта.