Научный дайджест №9: про квантовый компьютер, суперконденсаторы и шпинат

При составлении подборки интересных событий в мире науки для очередного научного дайджеста каждый раз приходится тщательно сохранять баланс объективности. Главное — не удариться в одну из крайностей: в нудное изложение сложного бэкграунда открытия без привязки к практическому применению или, что ещё хуже, в голую попсятину про "британских учёных", статистически открывших взаимосвязь между поросячьим пупком и формированием кучевых облаков над Атлантикой. В результате, отфильтровав сотни научных и околонаучных новостей и идей, просто диву даёшься, на какую чепуху уходят сотни миллионов и даже миллиарды научных грантов от корпораций и правительственных учреждений.

И всё же в конечном итоге такие инвестиции в науку оказываются выгодными, ведь хотя бы одно исследование из сотни рано или поздно "выстреливает" чем-то действительно похожим на открытие, годное для внедрения в массовое производство. Уж всяко выгоднее, чем ничего не делать и потом покупать все эти новинки за бугром.

Так что устраивайтесь удобнее, на очереди – очередная порция баек "про любимый лунный трактор", польза которого не всегда очевидна, но зато каков сам процесс!

Потрясающая история одного интересного открытия, сделанного учёными из Пекинского университета (Peking University), опубликована на днях в профильном журнале Advanced Materials под названием Fiber Supercapacitors Utilizing Pen Ink for Flexible/Wearable Energy Storage (doi: 10.1002/adma.201202930). Да, именно так: для создания гибких суперконденсаторов с потрясающими свойствами исследователи предложили использовать… самые обычные чернила из авторучек.

Здесь самое время пояснить, чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов. Этим термином обычно обозначают современные устройства, способные не только быстро запасать большой объём энергии в компактных габаритах, но и быстро освобождать эту энергию. Иными словами, суперконденсатор – это что-то среднее между классической электрической ёмкостью с возможностью хранения и разрядки огромного заряда с чудовищно высокой скоростью и аккумулятором, способным заряжаться и разряжаться чуть ли не мгновенно без разрушения или заметной деградации собственной внутренней структуры.

В настоящее время исследования в области создания практически пригодных суперконденсаторов сконцентрированы, главным образом, на снижении себестоимости их производства. В большинстве подобных систем сегодня используются электроды из углеродных соединений, реже – из оксидов металлов, но в любом случае на практике получается достаточно дорого. Лишь недавно исследователи переключились на создание суперконденсаторов с электродами из графена или углеродных нанотрубок, с помощью которых достичь необходимых характеристик порой оказывается проще и дешевле.

В своих экспериментах китайские учёные использовали конструкцию, составленную из двух длинных параллельных углеродных волокон со вспомогательной "объёмной" навивкой (для предотвращения контакта), заключённых в гибкую пластиковую "оплётку". В качестве электролита-наполнителя в полученном гибком проводнике использовались обычные чернила. В результате получился очень тонкий – менее миллиметра в диаметре — "двухпроводной" кабель, который при желании можно свернуть кольцами, уложить кругами и покрыть полученными спирально-круговыми структурами сколь угодно большую площадь в сколько угодно слоёв – пока не получится составное устройство достаточной ёмкости.

Расход электролита при этом чрезвычайно мал. Для справки: одного грамма обычных чернил достаточно для производства суперконденсаторного кабеля, способного покрыть площадь в 27 квадратных метров, и всё это – без малейшей потери свойств и заряда. Более того: учёные утверждают, что изобретённый ими суперконденсаторный кабель способен хранить в десять раз больший заряд, чем обычные суперконденсаторы, обеспечивая при этом заметно лучшие характеристики отдачи заряда.

Практическая сторона использования изобретения китайских учёных очевидна, они сами не скрывают именно прикладной характер своей разработки. Суперконденсатор, не содержащий вредных химических элементов, сверхгибкий и при этом весьма недорогой при массовом производстве, безусловно найдёт применение в разработке так называемой надеваемой электроники.

Гибкая супербатарейка может быть вплетена в рубашку, брюки, в качестве подкладки-утеплителя куртки, да мало ли куда еще! Вместе с гибкими экранами, гибкими сенсорами и другими разрабатываемыми в наше время компонентами, суперконденсаторы в скором времени могут стать основой надеваемых вместе с одеждой электронных устройств – смартфонов, плееров и прочих.

Дивное время наступит после внедрения надеваемой электроники в массовое производство! Всем добавится работы – и дизайнерам, и швейным цехам, и электронщикам. А старинная поговорка "Встречают по одёжке…" обогатится совершенно новым смыслом – глянь, мол, на этого чудика, одетого в прошлогодний смартфон, наверно, бедняга, отоваривается в секонд-хенде...

Историю об ещё одном интересном изобретении с далеко идущими последствиями поведали учёные из центра квантовой фотоники при университете Бристоля (University of Bristol's Centre for Quantum Photonics). В рамках проходящего на этой неделе фестиваля британской науки (2012 British Science Festival) они выступили с докладом о разработке технологии производства квантовых чипов на основе… кремния.

В отличие от традиционных кремниевых чипов, управляемых при помощи электрического тока, в прототипах микросхем, разработанных бристольскими учёными, цепи переключаются благодаря фотонам с использованием квантово-механических эффектов вроде суперпозиции и запутанности квантовых состояний.

Разработанная в стенах лаборатории технология основана на традиционных принципах производства современной микроэлектроники и экономически вполне переносима на масштабы массового производства, но главное всё же в том, что новые чипы полностью совместимы с существующей оптоволоконной инфраструктурой.

По большому счёту в идее управления светом с помощью кремния новизны как таковой нет, всё это давно и успешно используется в фотонике. Другое дело, что в своих разработках учёным из Бристоля удалось обойтись без использования громоздких стеклянных элементов, благодаря чему размеры чипов удалось уменьшить примерно в 1000 раз по сравнению с традиционными "стеклянными" прототипами.

Главный вывод из достигнутого таков. Недавние успехи в изучении прототипов кубитов (квантовых битов, способных одновременно хранить 0 и 1), а также полученная на практике возможность регистрации единичных фотонов в чипах, по мнению учёных, говорит о полной готовности всех ключевых компонентов для создания полнофункционального квантового процессора. Использование стандартных кремниевых технологий для производства компактных компонентов квантовых компьютеров смогло бы значительным образом катализировать разработки в области квантовой инженерии, приведя однажды к появлению "гибридных" микропроцессоров, сочетающих традиционные и квантовые вычисления.

Желающим глубже ознакомиться с идеями создания кремниевых квантовых чипов рекомендуем следующие публикации:

• Bonneau, D. et al. Quantum interference and manipulation of entanglement in silicon wire waveguide quantum circuits. New J Phys 14, 045003 (2012): arxiv.org/abs/1201.6537
• Engin, E. et al. Photon Pair Generation in Silicon Micro-Ring Resonator and Enhancement via Reverse Bias. arXiv 1204.4922, (2012): arxiv.org/abs/1204.4922
• Pernice, W. H. P. et al. High Speed Travelling Wave Single-Photon Detectors With Near-Unity Quantum Efficiency. arXiv 1108.5299, (2011): arxiv.org/abs/1108.5299

Следующая интересная новость прошедшей недели пришла из Университета Вандербилта (Vanderbilt University), что в Теннесси, где группа учёных добилась значительных успехов в повышении эффективности так называемых "биогибридных" солнечных элементов.

Более сорока лет назад учёные открыли белок, ответственный за фотосинтез. На практике у этого белка, названного Photosystem 1 (PS1), оказалось весьма практичное свойство: он оставался жизнеспособным даже после извлечения из растений, например из шпината. Более того, белок PS1 оказался способным преобразовывать солнечный свет непосредственно в электрическую энергию с эффективностью, близкой к 100%, в то время как лучшие образцы полупроводниковых солнечных элементов лишь недавно смогли достичь 40%-й эффективности.

Разумеется, это открытие значительно повысило интерес исследователей к свойствам уникального белка, однако дальнейшие попытки создать сверхэффективные солнечные батареи были не столь успешными. Просто так переобезьянить Природу не удалось как минимум по двум причинам: во-первых, генерируемое белком электричество ещё надо научиться снять без потерь, а во-вторых, будучи отделённым от живой массы, PS1 достаточно быстро деградирует и теряет свои волшебные свойства.

Если вкратце, именно над улучшением этих показателей и работали учёные все годы после открытия PS1. Значительный прорыв исследователей из университета Вандербилта связан с тем, что наконец-то удалось найти удачную комбинацию фотосинтетического белка, добываемого из шпината, с кремниевой подложкой, и получить с помощью такого биохимического солнечного элемента примерно в тысячу раз больший ток, нежели удавалось добиться ранее при комбинировании белка с различными типами металлов и проводников.

В статье Enhanced Photocurrents of Photosystem I Films on p-Doped Silicon, опубликованной в номере журнала Advanced Materials от 4 сентября, учёные сообщают, что комбинированный элемент из белка PS1 и кремниевой подложки позволил им добиться почти миллиампера (точнее, 850 мкА) тока на квадратный сантиметр при напряжении порядка 0,3 В. Эти показатели примерно в два с половиной раза выше, чем любые известные доселе достижения в области улучшения свойств биохимических солнечных элементов.

Основной причиной улучшения характеристик учёные называют более точное "совмещение" электрических свойств кремниевой подложки с молекулами белка PS1 с помощью процесса легирования (именно так при производстве полупроводников создают p- и n-зоны). В процессе вакуумного выпаривания влаги из "шпинатного" белка на подложку осаждалась тонкая белковая плёнка, при этом экспериментальным путём была подобрана её оптимальная толщина – порядка 1 микрона, что примерно равно толщине 100 молекул белка PS1.

Кроме того, в обычном листке шпината молекулы PS1 располагаются вполне упорядоченным образом, в то время как в ранних экспериментах отдельные молекулы белка располагались хаотично, и генерируемые при этом на молекулярном уровне токи фотосинтеза фактически ликвидировали друг друга. В современных образцах ориентация молекул белков пока далека от идеала, но даже некоторые улучшения привели к заметному изменению характеристик в лучшую сторону, и это одно из направлений для будущего увеличения эффективности биохимических солнечных элементов.

Вторая проблема, связанная с быстрой деградацией электрических свойств PS1, частично решена учёными из университета Вандербилта в 2010 году, когда на практике удалось добиться стабильной генерации электричества от одних и тех же образцов PS1 без ухудшения свойств на протяжении девяти месяцев. Однако и в этой области работы ещё непочатый край, ведь в живых листьях белок PS1 функционирует с одинаковой эффективностью на протяжении многих лет.

Что несказанно радует в этой истории: редкий случай, когда учёные говорят о более-менее реальных сроках готовности своей технологии к массовому внедрению в промышленности. По мнению исследователей, уже на нынешнем этапе развития технологии небольшая панель шириной пару футов способна генерировать как минимум 100 мА тока при напряжении 1 В, чего вполне достаточно для питания некоторых типов мобильных устройств. При последовательном улучшении свойств биохимических солнечных элементов учёные обещают представить зрелую технологию преобразования солнечной энергии в электрическую в ближайшие три года.

В кои-то веки мы заканчиваем рассказ о новых научных открытиях и достижениях на достаточно мажорной ноте — приятно видеть проявления оптимизма хотя бы у самих исследователей. Мы желаем им всяческих успехов и прощаемся с вами до следующего выпуска нашего научного дайджеста.