Научный дайджест №8: про киборгов, замену графену и самозарядные боты

Часть прошлого выпуска нашего дайджеста мы уделили ностальгии по светлому будущему сверхпроводимости. Как выяснилось, на сегодняшний день в этой сфере научных исследований ещё конь не валялся (даже сферический), хотя бы и на уровне фундаментальных исследований физики твёрдого тела, не говоря уж о прототипах.

Сегодня мы продолжим наши изыскания, обратившись к столь же старой теме киборгов, однако уже в несколько более мажорном ключе: кое-что в этой области всё же начало сдвигаться с мёртвой точки. Нет, речь не об искусственном разуме, пока что остающемся по интеллекту на уровне кошачьего мозга (поправочка: кошачьего мозга с чемпионским уровнем владения шахматами), и не о боевых андроидах. Сегодня начнём с разговора о тканях человеческого организма, которые иногда неплохо бы заменить чем-то искусственным, с близкой функциональностью.

Биологические ткани человека "оснащены" автономной нервной системой с множеством "детекторов" изменения окружающей среды, с реакцией на давление, температуру, кислотность, химические вещества и пр. К примеру, киборгу (или кто там будет в будущем под искусственной кожей), возможно, совсем ни к чему потеть на жаре, но как-то воспринимать критические уровни температуры окружающей среды он должен хотя бы ради сохранения жизнеспособности клеток искусственного кожного покрова.

В статье под названием Macroporous nanowire nanoelectronic scaffolds for synthetic tissues, опубликованной на днях в журнале Nature Materials, исследователи из Гарвардского университета (Harvard University) рассказали о первом удачном опыте создания искусственной кожи, выращиваемой вместе и одновременно с интегрированной в неё трёхмерной сетевой "армирующей" структурой из нанопроводов, без типичного для таких случаев отторжения тканей. В процессе исследований также были использованы труды учёных из Массачусетского института (Massachusetts Institute of Technology) и сотрудников кафедры механики и материалов при Гарвардской школе инженерных и прикладных наук (Mechanics and Materials at Harvard’s School of Engineering and Applied Sciences).

По словам исследователей, все попытки взаимодействия или хотя бы мониторинга процессов в живых тканях с помощью электродов приводили до сих пор лишь к их повреждению. Кроме того, сеть датчиков, расположенная на поверхности искусственной кожи, предоставляет недостаточную информацию о том, что происходит с клетками в объёме. Новая технология, объединяющая живую ткань и электронику в трехмерном пространстве, определила сравнимые с природными масштабы взаимодействия, вплоть до того, что теперь трудно определить, где заканчивается живая ткань и начинается электронная обвязка.

В своих экспериментах по встраиванию сетеобразно сплетённых кремниевых нанопроводников учёные взяли за образец структуру живых автономных нервных систем. В то же время для изготовления этих кремниевых наносетей был использован принцип "сухого травления", традиционно применяемый на разных этапах производства современных электронных чипов: учёные располагали на обычной двумерной подложке нанопровода, оплетённые сеткой из органического полимера. Нанопровода, в свою очередь, вместе с подключёнными к ним на следующем этапе наноэлектродами, составляют наносеть транзисторов и используются в качестве чувствительных сенсоров для измерения активности клеток без их повреждения.

По завершении процесса формирования подложка растворяется, и в результате остаётся этакая губкообразная ячеистая сеть, которая далее может быть свёрнута или скручена в 3-мерную структуру – весьма прочную и в то же время достаточно пористую, чтобы "засеять" её промежутки клетками для объёмного проращивания 3D-ткани. В своих экспериментах для "проращивания" учёные использовали материал сердечной мышцы и нервных клеток. Полученная в результате псевдоживая ткань с интегрированной наносетью оказалась вполне жизнеспособной, без нарушений активности.

Итак, можете спать спокойно: когда, наконец, дело дойдёт до войны с созданными нами же злобными киборгами, истребить всех человеков без собственных страданий им не удастся – ещё поплачут у нас, гады, от ожогов и ударов тупыми и острыми предметами!

Если же говорить серьёзно, разработанную в Гарварде технологию выращивания искусственных тканей с интегрированной сетью нанодатчиков, детектирующих измерения электрических потенциалов во внутренней структуре тканей, уже в скором будущем можно будет использовать в качестве основы для конструирования различных искусственных тканей. Например, искусственных кровеносных сосудов со встроенными по внешним и внутренним стенкам детекторами изменения кислотности (pH) для оперативного реагирования на случаи местного малокровия (ишемию) и другие нарушения нормального функционирования системы кровообращения. Фармацевты при помощи искусственных тканей могли бы наконец-то повысить точность исследований объёмных изменений в тканях при взаимодействии с новыми лекарствами (и особенно побочных эффектов от них).

В дальней перспективе – почему бы и нет — вживление элементов искусственных тканей с объёмным контролем состояния в человеческий организм позволит создать автономную систему, оперативно реагирующую на изменения в организме введением кардио- и нейростимулирующих лекарств.

Для подведения черты под этой темой как раз время вспомнить популярную современную поговорку: "Если тебе за сорок, утром проснулся и у тебя ничего не болит – значит, ты умер". В том Будущем, где описанные выше искусственные органы будут поставлены на поток, утренние эмоции могут быть совсем другими.

Например: если ничего не болит, значит, организм уже отреагировал и вколол освежающий укольчик. Или… я уже киборг?!

Ещё одна научная работа с огромным практическим потенциалом на ближайшее будущее была опубликована в августовском выпуске журнала Nano Letters сотрудниками кафедры электротехнических и компьютерных наук (Department of Electrical Engineering and Computer Science, EECS) при Массачусетском технологическом институте (MIT). Статья с говорящим названием Integrated Circuits Based on Bilayer MoS₂ Transistors посвящена интересному развитию популярнейшей темы наших дней – двумерным полупроводникам.

Самый известный двумерный полупроводниковый материал – графен — в представлениях не нуждается, о волшебных свойствах его одно- и двумерных вариантов на сегодняшний день уже прожужжали все уши. Кроме того, вполне перспективными также считаются двумерные вариации соединений кремния, хотя о них пишут гораздо меньше.

Ученые из MIT изучили свойства другого, практически неизвестного доселе двумерного полупроводникового материала – бисульфида молибдена (MoS₂). Точнее сказать, неизвестного в новой, полупроводниковой 2D-форме, открытой и описанной всего лишь год назад учёными из швейцарского университета EPFL. Хотя в обычном своём 3-мерном состоянии бисульфид молибдена давно известен и используется на протяжении десятилетий.

Менее года понадобилось команде исследователей из MIT, занимавшейся перед этим несколько лет изучением свойств графена (с интересными результатами для высокочастотных приложений), чтобы добиться успеха в создании прототипов различных электронных компонентов на основе MoS₂. Судя по восторженным отзывам, новый двумерный полупроводник сгодится для создания самых неожиданных электронных устройств – от надеваемой электроники до очков со встроенными экранами виртуальной реальности. Более того: бисульфид молибдена, равно как и все производные графена, по мнению учёных, лишь первая ласточка в огромном списке двумерных полупроводниковых материалов, которые полностью изменят полупроводниковую промышленность "в ближайшие 20-30 лет".

Для начала исследователи из MIT придумали надёжный способ получения крупных пластин материала с помощью процесса химического осаждения из газовой фазы. Кроме того, был разработан метод создания элементов электронных схем на полученных пластинах, а также ещё один – механический способ получения двумерных "чешуек" бисульфида молибдена.

Как выяснилось в процессе экспериментов, создание компонентов электронных схем на базе нового двумерного материала оказалось делом значительно более простым, нежели работа с графеном, всё из-за слишком узкой запрещённой зоны последнего, затрудняющей создание полноценных транзисторов. Сейчас множество учёных бьётся над тем, чтобы модифицировать графен для создания нормальной запрещённой зоны, на страницах 3DNews мы неоднократно описывали эту проблему и различные идеи её решения (если кратко, в двух словах: полупроводниковый графеновый вентиль легко "открыть", но очень сложно "закрыть").

Что касается бисульфида молибдена, у него проблемы с запрещённой зоной не существует вовсе. Кроме того, также надо отметить достаточно лёгкую доступность этого порошкообразного, "жирного" на ощупь кристаллического материала с твёрдостью графита, широко используемого нынче в промышленности в качестве компонента "сухой" смазки.

После открытых в стенах MIT сравнительно простых способов получения двумерных образцов бисульфида молибдена и его одно-, двух- и многослойных вариаций, процесс массового производства полупроводниковых компонентов на его основе имеет все шансы стать делом ближайшего будущего – уж точно гораздо более ближайшего, чем у графена.

За год, потраченный на исследования полупроводниковых свойств бисульфида молибдена, учёным из MIT удалось создать широкий спектр базовых логических электронных компонентов, включая логический инвертор (элемент НЕ), логический оператор NAND (Not AND), ячейку памяти и даже такие сложные компоненты, как настраиваемый кольцевой генератор на основе 12 взаимосвязанных транзисторов.

Отдельно стоит отметить уникальные свойства двумерного дисульфида молибдена: он совершенно прозрачен и может быть нанесён практически на любой материал без потери драгоценных полупроводниковых свойств. Так, учёные уже проводили успешные эксперименты с размещением MoS₂ на стекле, что фактически открывает дорогу созданию дисплеев, встроенных в очки, и прозрачных информационных окон для дома или офиса.

Наиболее интересной и перспективной областью применения новых полупроводников, по мнению учёных, могли бы стать экраны с большими диагоналями для мониторов и телевизоров, где каждый пиксель управляется отдельной транзисторной сборкой. Только представьте себе: экран толщиной в молекулу! Кремний определённо отдыхает не только по толщине панелей, но в перспективе – по себестоимости и трудоёмкости производства.

Если же полупроводники на основе дисульфида молибдена удастся скомпоновать с другими двумерными материалами, способными излучать свет, светоизлучающие панели с минимальным энергопотреблением смогли бы со временем заменить традиционные лампы освещения. То же самое может произойти с антеннами и другой обвязкой мобильников: со временем их можно будет интегрировать в элементы одежды.

К сожалению, никак не могу закончить эти дифирамбы без ложки дёгтя. В большинстве таких публикаций учёные помалкивают о реальных сроках коммерциализации своего изобретения, и это чёткий знак того, что все эти прелести останутся в статусе лабораторных исследований на неопределённое время. Их понять вполне можно: если бы сбылись все прогнозы, высказанные в неосторожных интервью, мы имели бы сверхпроводящие провода ещё в прошлом веке, а графеновую электронику уже лет пять назад.

Так что… слушать сказки учёных про великое будущее новых полупроводников мы, конечно, не против. Но пока что не будет лишним придержать в кармане привычную кремниевую фигу. Пусть будет.

Накормив читателя сладкими рассказами о грандиозных, но пока туманных перспективах, хотелось бы также поведать о чём-то реалистичном, пусть и более прозаическом. На ловца, как говорится, и зверь: статья Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell, опубликованная в августовском номере журнала Nano Letters, в очередной раз подтверждает тезис о том, что за длинным и заумным названием может скрываться рациональная и вполне понятная идея.

На этот раз речь пойдёт о технологии, позволяющей эффективно преобразовывать механические движения в электричество. Увидев на картинке к статье волшебный ботинок со встроенным преобразователем энергии ходьбы в электрический ток, читатель вправе вскликнуть: «Да сколько раз уже можно писать про эти ботинки!»

О да, обувь-зарядка так часто мелькает в научных публикациях про пьезогенераторы, что действительно успела поднадоесть всем. Но сегодняшний случай – особый: новый вид комплексных материалов умеет не только вырабатывать, но и хранить накопленную энергию.

Суть изобретения, описанного в совместной публикации исследователей из школы материаловедения при Технологическом университете Джорджии (School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta) и специалистов из Пекинского института наноэнергетики и наносистем при Китайской академии наук (Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences, Beijing), сводится к впервые продемонстрированному на практике способу сохранения и накопления энергии в химическом веществе из механической энергии в едином устройстве и – внимание! — без промежуточной генерации электричества!

Иными словами, на практике мы имеем самозарядную энергетическую ячейку, этакий гибридный аккумуляторный химический генератор, поглощающий механическую энергию без промежуточных преобразований и потерь. Свежо и изящно, не правда ли?

В своих экспериментах в качестве основы самозарядной энергетической ячейки исследователи выбрали обычную литий-ионную "таблетку"-аккумулятор, такие нынче широко применяются в компактных пультах ДУ, часах, а раньше были непременным атрибутом каждой материнской платы. Для начала учёные удалили обычный полиэтиленовый сепаратор, который в традиционном аккумуляторе разделяет два электрода, и заменили его плёнкой из поливинилиденфторида, обладающего пьезоэлектрическими свойствами и способного генерировать энергию при приложении механического воздействия.

Разделяя электроды батареи, плёнка ПВДФ способствует миграции положительно заряженных ионов лития от катода к аноду, при этом происходит самый настоящий заряд без какого-либо внешнего приложения электрического напряжения – сепаратор из плёнки ПВДФ, создавая разницу потенциалов между электродами, служит основой самозарядной батареи, одновременно генерирующей и сохраняющей энергию. Разумеется, ионы лития не способны возвращаться обратно немедленно после снятия механического воздействия, поскольку, как и в традиционных батареях, формируют временный компаунд с материалом анода (LiTiO).

Вот на этом месте в дело вступает пресловутый башмак: полученный генератор величиной с монетку исследователи разместили в подошве и провели замеры энергии, генерируемой и сохраняемой при ходьбе. Результат оказался следующим: интенсивный шаг с частотой порядка 2,3 Гц увеличивает потенциал батареи с 327 до 395 мВ всего за 4 минуты. Разница в 65 мВ оказывается значительно больше прироста на 10 мВ, которого удалось получить с помощью раздельного пьезогенератора с плёнкой ПВДФ, заряжавшей обычную литий-ионную батарейку с обычным полиэтиленовым сепаратором. Таким образом, прямое механически-химическое преобразование в один этап продемонстрировало значительно более высокую эффективность, нежели традиционное двойное механически-электрическое и электрически-химическое преобразование.

Хотя напряжение и ток, получаемые от этой экспериментальной батареи, невелики, учёные уверены, что создание энергетического самозарядного элемента с напряжением порядка 1,5 В не составит особого труда. В качестве ближайших направлений по совершенствованию разработанных ими элементов исследователи видят ряд модификаций для большей деформации пьезоэлектрического материала.

К сожалению, и в этой работе ни слова про тот славный момент, когда самозаряжающаяся батарейка появится на прилавках в качестве полезного приложения к нашей обуви, гантелькам, велосипедам, мобильникам и т.п.

Но всё же хочется надеяться, что эта технология недолго задержится в лаборатории. И сбудется наконец-то Великое Предсказание уважаемого Михаила Михайловича Жванецкого, ещё во времена Райкина предсказавшего ее перспективы:

Артисты, художники, ревматики, склеротики и прочий боевой отряд физически недоразвитых людей — их надо использовать на тонких работах. Вот балерина крутится. Крутится, крутится, аж в глазах рябит. Прицепить ее к динамо – пусть ток дает в недоразвитые районы.

За сим – не скучайте, прощаемся до следующего выпуска нашего дайджеста.