Новости Hardware → нанотехнологии
Главная новость

В погоне за эффективностью: тепло электроники – в электричество

Нет устройств, которые могли бы преобразовать всю потребляемую ими энергию в полезный вид. От компьютерного процессора до двигателя автомобиля – везде происходят потери, в том числе в виде тепла. Однако согласно новому исследованию возможно собрать это немалое количество теряемой тепловой энергии и превратить её в электрическую. В результате, например, время работы мобильных телефонов от одного заряда аккумуляторов увеличится как минимум вдвое, то же касается портативных ПК, а электростанции намного эффективнее будут расходовать топливо. Такие перспективы видит соавтор концепции профессор инженерии в области электроники в Массачусетском технологическом институте (MIT) Петер Хагельштейн (Peter Hagelstein). Как утверждает Хагельштейн, существующие полупроводниковые устройства, предназначенные для выполнения этой функции – преобразования тепла в электричество – не слишком эффективны. В своём исследовании совместно с аспирантом Деннисом Ву (Dennis Wu) профессор поставил цель выяснить, насколько близко можно подойти к теоретическому пределу в превращении одного вида энергии в другой. Согласно теоретическим выкладкам, ни одна система не может преодолеть так называемый предел Карно – показатель, основанный на предложенной в XIX веке формуле определения максимальной эффективности, которой может достичь устройство при конвертировании тепла в работу. Но сегодняшние коммерческие термоэлектрические решения не предлагают и одной десятой этого лимита. В экспериментах с использованием технологии тепловых диодов Хагельштейн показал, что возможно подойти к 40% значению от предела Карно. Более того, по расчётам учёных потенциал их разработки позволяет заявлять о "потолке" в 90%. Хагельштейн, Ву и их коллеги начали испытания на лабораторном оборудовании вместо современной продукции высокотехнологичной промышленности. Анализ производился на очень простой системе, где тепло генерировалось устройством с одиночной квантовой точкой, которое представляет собой тип полупроводника с электронами и "дырками", очень ограниченными в трёх измерениях. Контролируя все характеристики устройства, учёные надеются лучше понять, как изготовить близкий к идеальному термоэлектрический преобразователь. По оценке Хагельштейна, присутствующие на рынке технологии способны на эффективное преобразование, но лишь в том случае, если речь идёт о малой мощности. Если же количество энергии должно быть большим, то это возможно только с неэффективными, массивными и дорогостоящими системами. Другими словами, нужно так или иначе чем-либо поступиться. Однако разработка исследователей обладает обоими преимуществами. Ключом к повышению мощности является уменьшение разделяющего горячую поверхность и преобразователь расстояния. Из недавней статьи профессора из MIT Гена Чена (Gang Chen) следует, что перенос тепла между очень близко расположенными поверхностями может происходить эффективнее, чем предсказывали теории. Новое же исследование пошло дальше, показав путь к использованию этого явления. Над практической реализацией схожей технологии конвертирования работает компания MTPV Corp. (Micron-gap Thermal Photo-Voltaics – микронное термальное фотоэлектричество), основанная Робертом ДиМаттео (Robert DiMatteo), который также намеревается извлечь прибыль из идеи Хагельштейна. Его собственная технология появится на рынке в следующем году и предоставит в 10 раз большую выходную мощность по сравнению с сегодняшними фотоэлектрическими устройствами, а разработка учёных из MIT потенциально способна повысить характеристики ещё в 10 раз. По данным ДиМаттео, в глобальном масштабе около 60% всей образующейся при сжигании топлив или в результате работы электростанций энергии теряется, в основном в виде тепла. Когда в 2002 году началась работа над теорией Хагельштейна, учёный понимал, что устройство на её основе не может быть построено. Но с тех пор технологии ушли вперёд, приближая замысел к реальности. Понадобится ещё несколько лет, прежде чем сформируется "пул" технологий, необходимых для создания пригодных к коммерциализации устройств с квантовыми точками, но нет причин, почему эффективность преобразователей или их мощность не могут быть увеличены ещё на порядок. Если Хагельштейну удастся добиться своего, то излучаемое в окружающее пространство через радиаторы тепло станет, по его словам, золотым дном. Высокоэффективные микропроцессоры, автомобили и самолёты – изменится вся современная техника.

Быстрый переход

Экзотические свойства графена подтвердились

Сначала это были похожие на футбольный мяч молекулы, названные фуллеренами. Затем в лабораториях получили цилиндрические нанотрубки. И совсем недавно физика и нанотехнологии начали изучать новый интересный материал – графен, который представляет собой двумерную гексагональную структуру из атомов углерода одноатомной толщины. Это не только самый тонкий из возможных материалов – он также в 10 раз прочнее стали и при комнатной температуре является лучшим из существующих проводников. Эти и другие экзотические свойства справедливо представляют немалый интерес для учёных, которые стремятся раскрыть их полный теоретический и практический потенциал.
Графеновый лист между опорами
Как говорит доцент факультета физики и астрономии в Университете Вандербилта (Vanderbilt University) Кирилл Болотин (Kirill Bolotin), есть два свойства, которые делают графен неповторимым. Во-первых, его молекулярная структура настолько устойчива к повреждениям, что исследователи просто обязаны были обратить на них внимание. Во-вторых, переносящие электрический заряд электроны перемещаются в нём намного быстрее и ведут себя так, будто их масса намного меньше, чем в металлах или суперпроводниках. В недавней публикации в авторитетном издании Nature Болотин утверждает, что совместно с коллегами из Колумбийского университета (Columbia University) он смог получить настолько чистый графен, что материал демонстрирует электрическое явление, называемое дробным квантовым эффектом Холла (за его открытие и объяснение в 1998 году Нобелевской премии удостоились Даниэль Цуи (Daniel Tsui), Хорст Штормер (Horst Stormer) и Роберт Беттс Лафлин (Robert Betts Laughlin)). Электроны при этом взаимодействуют и формируют новые квазичастицы с меньшими электрическими зарядами, чем у индивидуальных электронов.
Слои графена в графите
Хотя графен – это первый действительно двумерный кристаллический материал, в течение многих лет учёные размышляли над тем, какими характеристиками должны обладать двумерные газы и жидкости. Был также достигнут успех в создании приблизительной модели такого газа путём соединения двух слегка отличающихся полупроводников. Электроны заключаются в "интерфейс" между ними и их движение ограничивается двумерным пространством. Когда такая система охлаждается до менее чем одного градуса выше абсолютного ноля и помещается в мощное магнитное поле, проявляется квантовый эффект Холла. Несмотря на то, что теоретическая основа получения графена была подготовлена ещё пять лет назад, данное явление удавалось вызвать лишь с незначительным и переменных успехом. Согласно Болотину, исследователи установили источник проблем – влияние со стороны поверхности, на которой находится графен. Поэтому была разработана специальная техника полупроводникового литографического процесса, позволившая "подвесить" сверхчистый графеновый лист между микроскопическими опорами над поверхностью полупроводникового чипа. Когда полученную структуру охладили до температуры, на шесть градусов превышающей абсолютный ноль, и подвергли воздействию магнитного поля, проявился эффект Холла, как и предсказывала теория.
Иллюстрация иглы сканирующего туннельного микроскопа над слоем графена
Лучший способ представить явление – вообразить электроны в графене как формирующие очень мелкий "океан" из зарядов. Когда приложено магнитное поле, в электронной жидкости появляются своеобразные "водовороты". Поскольку электроны заряжены отрицательно, "вихри" будут иметь положительный заряд. Они состоят из дробных зарядов электрона, таких как одна третья часть, половина или две третьих. Эти носители положительного заряда притягиваются и присоединяются к электронам, создавая квазичастицы с дробными зарядами. Понимание электрических свойств графена важно, поскольку, в отличие от других используемых индустрией материалов, они остаются стабильными вплоть до молекулярного уровня. В результате, когда текущая кремниевая технология производства чипов достигнет фундаментального предела через несколько лет, графен может занять освободившееся место будущего электроники. Тем временем, некоторые физики-теоретики интересуются графеном по совсем иной причине: он предоставляет возможность опробовать их теории. Во время перемещения через обычные металлы электроны взаимодействуют с электрическими полями атомной решётки. В итоге электроны изменяют поведение, словно имея отличную от свойственной им массу. Физики назвали явление "эффективной массой" начали рассматривать электроны в этом случае как квазичастицы. В графене они также показывают себя квазичастицами, но будто с нулевой массой. Возможно, в последнем случае происходит подчинение законам квантовой электродинамики – тем же релятивистским уравнениям, которыми описываются частицы в чёрных дырах и ускорителях. В результате новый материал позволяет проводить лабораторные эксперименты и проверять теоретические модели наиболее экстремальных и неизведанных явлений Вселенной. Материалы по теме: - Растягивание графена превратило его в полупроводник;
- Графен заменит медь в интегральных микросхемах;
- IT-байки: На ближних подступах к эре графеновой электроники.

Источник:

Сверхдлинные нанотрубки – будущее передающих линий

Когда речь заходит о нанотрубках, большинство исследований сконцентрированы вокруг выполнения ими задач в наномасштабе. Но команда исследователей из Университета Райса (Rice University) пошла дальше, создав структуры их углеродных нанотрубок длиной в сотни метров и толщиной 50 мкм. Утверждается, что ограничения на длину вообще нет, а значит, открываются возможности решения крупномасштабых задач, включая разработку инновационных линий передачи энергии и строительных материалов.
Волокно толщиной 50 мкм из нанотрубок
Работа над проектом началась в 2001 году и возглавляется нобелевским лауреатом Ричардом Смелли (Richard Smalley). После многих лет исследований учёные обнаружили, что хлоросульфоновая суперкислота (chlorosulphonic) может спонтанно растворять в 1000 раз большие концентрации углеродных нанотрубок, чем любой другой растворитель. Благодаря этому становится возможным изготовление волокон из точно выстроенных нанотрубок в большом масштабе. Процесс схож с выпуском струй воды из душевой насадки. Поскольку нанотрубки являются прекрасными проводниками, исследователи в настоящий момент пытаются сформировать из них линии для передачи электричества и информации. Как считает профессор химии Маттео Паскуали (Matteo Pasquali), эффективность таких проводов должна быть существенно выше медных. Но для передающих линий необходимо очень большое количество металлических нанотрубок. Сегодня нет подходящих методов получения таких объёмов без того, чтобы среди "примесей" не оказались элементы с полупроводниковыми свойствами. Но некоторые исследования в этой области имеют позитивные результаты, и учёные прогнозируют, что прорыв должен быть совершён в недалёком будущем. Материалы по теме: - Honda открыла секрет металлических нанотрубок;
- Пружины из нанотрубок избавят человечество от аккумуляторов;
- IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок.

Разработан универсальный программируемый квантовый процессор

Физики из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) продемонстрировали первый универсальный программируемый квантовый процессор, который способен обрабатывать любую программу, удовлетворяющую правилам квантовой механики для двух квантовых битов (кубитов). Разработка может стать частью будущего квантового компьютера, который сможет решать проблемы, неподдающиеся сегодняшним вычислительным системам.
Дэвид Хеннек (David Hanneke)
Демонстрация NIST является первым случаем выхода за рамки отдельной задачи для квантового процессора к программируемым вычислениям с более чем одним кубитом. Команда учёных также проанализировала характеристики процессора методами, применяемыми в отношении традиционной электроники, путём создания диаграммы вычислительного цикла и математического определения 15 разных начальных значений вычислительных операций, необходимых для запуска программы. По словам Дэвида Хеннеке (David Hanneke) из NIST, исследователи совершили шаг вперёд к вычислениям со множеством кубитов. Процессор представляет собой покрытые золотом алюминиевые пластины, содержащие микроскопическую электромагнитную ловушку шириной 200 мкм, в которую помещаются четыре иона – по два магния и бериллия. Магний выступает как "охладитель", устраняя вибрации ионной цепочки и сохраняя стабильность устройства. Манипуляции с ионами производятся ультрафиолетовым лазером. Управляя состояниями бериллиевых кубитов, учёные могут заставить их принять неопределённое значение одновременно 1 и 0, что предоставляет преимущества в обработке информации по сравнению с обычной логикой. Кубиты также возможно привести в "запутанное" состояние – квантовое явление, которое связывает свойства пары, даже если физически они разделены. Среди множества возможных программ для кубитов были выбраны 160, чтобы показать универсальность вычислений. Как говорит Хеннеке, для демонстрации потенциала этого вполне достаточно. Ключевым моментом стало использование генератора случайных чисел, чтобы у всех операций был равный шанс на выполнение. Такой подход избрали во избежание необъективности в ходе тестирования процессора в случае, если некоторые программы выполняются с более точными результатами.
Ионная ловушка
Слева в центре пластины - ионная ловушка. Ионы попадают в щель длиной 3,5 мм и шириной 200 мкм между алюминиевыми пластинами. Изменяя приложенное к электродам напряжение, возможно перемещать ионы
Ионы – один из многообещающих типов кубитов для квантовых компьютеров. Если эти машины будут построены, среди доступных им задач будет, например, взлом наиболее распространённых сегодня криптографических алгоритмов, защищающих информацию в коммуникационных сетях. В добавок к тому, что новый процессор можно включить в состав квантового компьютера, он способен стать миниатюрным симулятором взаимодействий любой квантовой системы, основанной на двух энергетических уровнях, такой как системы на ионах, представляющих уровни 0 и 1. Большие симуляторы смогут объяснить загадку высокотемпературной сверхпроводимости – передачи электричества без сопротивления при температурах, имеющих практический смысл для эффективных устройств хранения данных и других областей. Исследование, результатом которого стал процессор с двумя кубитами, является продолжением работы с захваченными в ловушку ионами. В последних экспериментах каждая из 160 программ предполагала использование 31 операции с двумя кубитами, 15 из которых задавались в процессе программирования. Логическая операция в данном случае – это определяющее манипуляции с одним или обоими кубитами правило. В обычных компьютерах эти операции являются кодом программного обеспечения, обрабатываемого цифровой электроникой. Программы не производили легко описываемые математические вычисления. Они работали со множеством "вращений" одного кубита и "запутанностью" двух. Каждая программа выполнялась 900 раз с точностью 79%, длительность одного цикла – 37 мс. Любая выполняемая лазером операция имеет точность 90%, но в совокупности получается 79%. Причина – небольшое колебание интенсивности импульсов лазера. Чтобы оценить процессор и качество его вычислений, учёные сравнили измеренные выходные данные программ с идеальными теоретическими результатами. Дополнительная информация получена от 11 программ из 160. Как отмечается в опубликованной работе, для решения масштабных проблем потребуется намного больше кубитов и логических операций. Кроме того, необходимо снизить количество ошибок. Увеличение точности результатов должно послужить большей отказоустойчивости и сокращению избыточных данных для коррекции ошибок. Этого можно достичь стабилизацией лазера и улучшением оптического оборудования. Материалы по теме: - Через 100 лет прекратится рост скорости компьютеров;
- Квантовый алгоритм взлома шифров на фотонном чипе;
- Бинарная система сдерживает мощность квантовых компьютеров.

Источник:

Фотопутешествие в мир наномасштаба

Профессор химии из Гарвардского университета (Harvard University) Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) – довольно известная личность в своей области. В сотрудничестве с фотографом Фелис Франкель (Felice Frankel) из Массачусетского технологического института (MIT) он выпустил книгу, в которой описал мир микро- и наномасштаба. Это не обязательно сложные концептуальные механизмы, которые действуют только в лабораторных условиях. Миниатюрные элементы так же обязательны для любой вещи, как молекулы или атомы. Их изображения, некоторые из которых опубликованы в Интернете, являются смесью традиционной фотографии, компьютерной графики и различных техник микроскопии.
AFM
Это атомная игла, или зонд. Она используется в атомных силовых микроскопах (atomic force microscope, AFM), которые для создания изображения объекта не "смотрят" на него, а описывают форму при помощи взаимодействия зонда с поверхностью через силы притяжения и отталкивания между атомами. Игла является частью кантилевера – конструкции из прямоугольной площадки размером в несколько миллиметров и острия. Одна из её сторон способна отражать свет, что позволяет измерять колебания кантилевера лазером во время работы с образцом. Ширина острия в лабораторных микроскопах – около 1 нм. Снимок иглы сделан сканирующим электронным микроскопом.
Электронная бумага
"Электронная бумага", выполненная по технологии "электронных чернил" компании E-Ink, используется в устройствах для чтения электронных книг. Расположенный над электродами пластиковый слой содержит микрокапсулы с противоположно заряженными чёрными и белыми частицами. Чтобы пиксель стал чёрным, отрицательный электрод отталкивает чёрное вещество к поверхности капсулы. Белый пигмент "всплывает", если электрод имеет положительный заряд. Простая электроника управляет электродами в соответствии с обрабатываемыми цифровыми данными (например, текстом). В цветных дисплеях каждый пиксель разбит на субпиксели и обычно состоит из трёх капсул и светофильтров.
Ламинарные потоки
Поток жидкости в микроканале ведёт себя иначе, чем в макромасштабных системах. На снимке цветные линии показывают окрашенные потоки воды, передвигающиеся от правого верхнего угла в каналах диаметром 200 мкм, что приблизительно соответствует толщине волоса человека. Вместо того, чтобы смешиваться друг с другом в вихри или другие процессы при встрече, эти потоки не сливаются либо делают это очень медленно. Жидкости выходят из каналов (нижний левый угол изображения) параллельно и не взаимодействуя. Эффект известен как ламинарный поток и может наблюдаться в ледниках или даже среди людей, проходящих через узкий коридор, но законы, разумеется, действуют разные. Понимание поведения жидкостей в таких масштабах важно для разработки диагностических устройств наподобие лабораторий на чипе.
Мембрана обратного осмоса
Показано поперечное сечение мембраны обратного осмоса, используемой для разделения жидких смесей. При обратном осмосе давление в 1000 раз выше атмосферного заставляет молекулы воды проходить через мембрану, оставляя минералы и ионы с другой стороны. Мембрана имеет комплексную внутреннюю структуру со множеством пор различных размеров, позволяющих выдержать высокое давление. Такой тип материала применяется в процессе опреснения и очистки воды, а также в аппаратах для диализа. Однако создание давления требует энергии и денег, поэтому всё чаще мембраны заменяются альтернативами, включающими ячейки с поглощающими соль микробами и блокирующие ионы нанотрубки.
Солнечная ячейка
Поверхность фотоэлектрической солнечной ячейки. Эти устройства конвертируют энергию фотонов света в электрическую благодаря фотоэлектрическому эффекту. Изображённый экземпляр основан на пластине из кристаллического кремния. Поглощаемый свет создаёт заряды, которые собираются проводниками из серебра (светлая вертикальная полоса). Ячейка покрыта нитридом кремния, который служит "антибликовым фильтром" и предотвращает отражение света, а заодно придаёт характерные синий и фиолетовый цвета. Учёные работают над тем, чтобы в будущем вместо размещения солнечных панелей на крышах домов поверхности покрывали специальной краской, выполняющей роль фотоэлектрического преобразователя.
Винил Beatles
Даже самые фанатичные поклонники творчества легендарной группы Beatles не смогут распознать её музыку на этом изображении. Показана часть виниловой копии альбома Revolver, а точнее – композиции Eleanor Rigby. Снимок сделан микроскопом Номарски, в котором используются различия в преломляющих характеристиках образца для установления его формы.
Шахматная доска
Данный снимок "шахматной доски" не относится к книге Уайтсайдса, но изображения подобного характера вызывают интерес к познанию невидимого мира. Шахматы почти в тысячу раз тоньше волоса человека. Увеличение – 17000х.
Наноунитаз
Объект в представлении не нуждается. Размер наноунитаза – несколько сотен нанометров. Такахаши Които (Takahashi Kaito) из SII Nanotechnology сделал снимок с увеличением 15000х.
Рука
"Рука с указующим перстом" была выращена Михаилом Кройтору (Mihail Croitoru) из Университета Тубингена (Tübingen University) при помощи процесса разложения молекул газа с последующим размещением элементов на поверхности. Инструментом выступал сканирующий электронный микроскоп, который генерирует подходящий электронный луч. Увеличение – 50000х. Материалы по теме: - Лучшие фотографии микромира за 30 лет;
- Самосборные ДНК делают 3D-наномашины;
- IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино!.

Источник:

Жидкие кристаллы с цветным излучением удешевят дисплеи

Содержащий электролюминесцентные жидкие кристаллы материал может быть использован для производства более совершенных дисплеев на основе технологий LED и OLED. Обычно ЖК-панели лишь пропускают свет от расположенной позади подсветки, но химик Стивен Келли (Stephen Kelly) и физик Мэри О'Нил (Mary O'Neill) из Университета Хала (University of Hull), Великобритания, продемонстрировали возможность излучения кристаллами электромагнитных волн. Открытие было совершено ещё в 2000 году, и с тех пор продолжается работа по повышению характеристик технологии. Плодотворный труд, похоже, дал свои результаты, поскольку основанная для коммерциализации разработки компания Polar OLED начала сотрудничество с производителями дисплеев.
Прототип дисплея с жидкими излучающими кристаллами
Новый материал применим для изготовления светоизлучающих элементов и для панелей на органических диодах, и для жидкокристаллических. Жидкие кристаллы давно известны способностью к фотолюминесценции – излучению, возбуждаемому сторонним источником фотонов. Но чтобы заставить их делать то же при воздействии электричества, необходимо было найти способ транспортировать заряд через материал. Келли добился эффекта путём применения кристаллов с содержанием ароматических соединений. Облучение растворов с этими веществами ультрафиолетовым светом приводит к формированию из них полимерных "сетей", связывающих кристаллы. В зависимости от химического состава гибридный материал может излучать свет с различными цветами при подаче напряжения. Затем из красных, зелёных и синих кристаллов создаются отдельные субпиксели для OLED-дисплеев. А чтобы изготовить подсветку для ЖК-экранов, микроскопические элементы располагают в виде "башни", друг на друге. Экраны OLED с высоким разрешением уже начали появляться на рынке и соперничать с привычными ЖК. Их яркость и углы обзора превосходят показатели конкурирующей технологии, но ограничивающим фактором является дороговизна, вызванная высокотемпературным процессом напыления при их производстве. Несколько компаний работают над удешевлением техпроцесса, но, как считает Келли, в любом случае совместить слои разных полимеров без дестабилизации достаточно сложно. Если их размещать один над другим, то второй будет разрушать первый, а третий – два предыдущих слоя. Достижение Polar OLED – стабильные полимерные слои, поэтому наложение их друг на друга или печать с близким расположением реальна. В результате дисплеи с высоким разрешением будут обладать меньшей стоимостью. Однако, по мнению сооснователя компании Plastic Logic физика Хеннинга Сиррингауса (Henning Sirringhaus), хотя технология интересна, вывод её на рынок как нового материала для дисплеев может столкнуться с проблемами, связанными со скоростью обновления экрана. Вторая область применения – дешёвая подсветка для ЖК-мониторов. Обычно в них используются два поляризационных слоя, но новый гибридный материал сам излучает поляризованный свет. Тем не менее, перспективы разработки ещё нуждаются в доказательстве. Разговоры об OLED и превосходстве органических диодов над жидкими кристаллами ходили более десятка лет, но до сих пор доминирующее положение сохраняется за ЖК-дисплеями. Материалы по теме: - LG готовит 40" OLED-телевизор к 2012 году;
- Ударопрочность OLED и ЖК испытали молотком;
- Технология LED TV - как это работает.

Наночастицы могут повреждать ДНК, не проникая в клетку

Как показали последние исследования, металлические наночастицы могут повреждать ДНК даже без проникновения внутрь клетки посредством впервые обнаруженного сигнального процесса. Однако, как утверждают учёные, механизм может стать не только угрозой, но и возможностью. Например, использующие наночастицы методы приведут к более совершенной технологии магнитно-резонансной томографии и к доставке лекарств непосредственно к поражённой ткани. Но реальное тело человека намного сложнее использованной в экспериментах системы моделирования живого организма, поэтому достоверно утверждать ничего нельзя. Пока нет уверенности даже в способе поражения ДНК сигнальными молекулами.
Фибробласты
Изучалось влияние частиц кобальта и хрома. Обычно эти металлы используются в имплантатах, таких как искусственные бедренные и коленные суставы. Учёные вырастили тонкую мембрану из клеток человека и поместили на неё частицы. Под мембраной были расположены клетки фибробласты, которые помогают телу формировать соединительную ткань. Хотя наночастицы не проходили сквозь слой толщиной в три клетки, в ДНК фибробласт было обнаружено столько же повреждённых мест, как при непосредственном взаимодействии с металлическими частицами. Как объясняет автор исследования Гевдип Бабра (Gevdeep Bhabra) их Бристольского исследовательского центра имплантатов (Bristol Implant Research Centre), при близком контакте между клетками возникает связь посредством так называемых полуканалов и межклеточных щелей. Тем не менее, применение блокирующих коммуникацию химических веществ позволило предотвратить наносимый ДНК ущерб. Отмечается, что концентрация наночастиц была в тысячи раз более высокая, чем возможна в теле при использовании вживлённых в него искусственных частей.
Разрушение ДНК
Открытие учёных свидетельствует о необходимости проделать колоссальную работу по установлению зависимости ответственного за повреждение ДНК механизма от материала наночастиц. Это тем более важно, поскольку практика использования материалов в наномасштабе распространяется как не только в медицине, но и в технологической индустрии, при производстве продуктов питания. В то же время лучшее понимание сигнального процесса поможет в разработке новых методов лечения без проникновения в больные ткани. Материалы по теме: - Опасность нанотехнологий. Реальны ли угрозы?;
- IBM разрабатывает индивидуальный анализатор ДНК;
- ДНК может быть сфабрикована.

Источник:

Новая концепция цифровой электроники: фемтосекунды, терагерцы

Есть вероятность, что в основе электроники будущего будут не электроны, а перемещающиеся по электронной среде крошечные волны. Новая концепция предлагается техническим руководителем NanoMEMS Research доктором Гектором Де Лос Сантосом (Héctor J. De Los Santos) и является многообещающим кандидатом на замену КМОП (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, CMOS), который сделает возможным дальнейший рост количества элементов в микросхемах, описанный Законом Мура. Основатель корпорации Intel более 40 лет назад предсказал, что число транзисторов в компьютерных чипах будет удваиваться приблизительно каждые 18 месяцев. Но в последующие годы с текущими технологиями придерживаться постулата или тем более превзойти закономерность будет невозможно, поскольку вместе с уменьшением размеров транзисторов до наномасштаба появляются некоторые проблемы, такие как возрастающее сопротивление в схемах и растущие затраты на производство.
NFL
Преодолеть вызываемые масштабом компонентов препятствия пытаются исследователи по всем миру, занимаясь поиском альтернативы КМОП. Де Лос Сантос предлагает нано-электронно-жидкостную логику (nano-electron-fluidic logic, NFL), которая базируется на потоках плазмонов в схожем с жидкостью электронном газе. Как предсказывает учёный, базовые элементы цифровой схемы, изготовленные по технологии NFL, имеют потенциал достижения фемтосекундных (10-15 с) скоростей переключения, а рассеиваемая мощность не будет превышать фемтоджоуль. NFL обладает такими возможностями благодаря свойствам поверхностных плазмонных волн (surface plasma waves, SPW). Они распространяются на инверсном слое изолированного затвора, выступающем в роли волновода. Когда две волны встречаются, они отталкивают друг друга. В структуре микроэлектронного устройства SPW запускается в определённом направлении, чтобы путём столкновения с другой SPW задать ей один из двух путей распространения, в которых её появление интерпретируется как 1, а отсутствие – 0. Чтобы начать процесс, SPW запускается в наполненный электронной "жидкостью" канал, который делится надвое и имеет детекторы на каждом конце. Без приложения внешних сил волна также будет разделяться на равные части, но при введении второй SPW в основной канал с одной из сторон первичная волна отклонится в противоположном направлении. Соответственно, фиксироваться волна будет только одним детектором, и таким образом простейшее NFL-устройство сформирует основу логического триггера и появится возможность хранить один бит информации. Модель SPW концептуально отличается от КМОП в том смысле, что она основана на волнах, а не частицах. Де Лос Сантос сравнивает идею с возникающей в водоёме волной при падении в него чего-либо. В этой аналогии вода является электронной "жидкостью", а возмущение её поверхности – это отклонение от нейтрального заряда в данной точке потока (в сравнении с отклонением от позиции равновесия колеблющейся частицы). Переносом отклонения и занимается SPW. "Примите во внимание, что если возмущение перемещается от точки возникновения, то частица остаётся там же, она просто колеблется вверх и вниз, - объясняет Де Лос Сантос. – Следовательно, распространение возбуждения не подразумевает перенос массы. Фактически, SPW перемещается быстрее, чем могут быть транспортированы электроны, как волны на поверхности воды распространяются быстрее самих частиц воды". Как известно, в основе обычной логики КМОП лежит ток электронов. По словам учёного, в этом случае происходят столкновения отдельных электронов с посторонними включениями и вибрация полупроводниковой решётки. Это ограничивает максимальное быстродействие, минимальную рассеиваемую мощность и влияет на выполнение логических функций. Ключ к оптимизации устройств NFL находится в области поиска подходящих габаритов для желаемой частоты. После запуска время жизни SPW зависит от дистанции их распространения. Если детектор находится слишком далеко от места возникновения волны, логические операции будут невозможны. Однако в случае слишком близкого расположения точки фиксирования волн они будут отражаться, распространяться в обратном направлении и снова отражаться. Необходимы такие размеры устройства, чтобы SPW регистрировались до разрушения, но не достигали точки возникновения на обратном пути и не появлялся резонанс. Де Лос Сантос прогнозирует, что конечная плотность NFL должна соответствовать мельчайшему плазмону, или электрическому диполю. Поскольку это атом, то плотность будет зависеть от типа используемых атомов. По сравнению с КМОП логика NFL сможет выполнять те же операции с имеющими в 40 раз меньшую площадь компонентами. Скорость распространения SPW составляет около 1 млрд см/с. В наномасштабе это означает время переключения в течение фемтосекунд, или частоты порядка 6 ТГц при комнатной температуре. Что касается энергии, необходима лишь мощность для возбуждения SPW, что может быть сделано при любом ненулевом значении постоянного тока. Поддержание электронной среды также требует незначительных энергозатрат. Плюс ко всему, концепция NFL совместима с текущей литографической технологией, а логика на основе NFL может быть подключена к обычной электронике. Де Лос Сантос планирует продолжить исследования преимуществ разработки и надеется, что его технология заменит КМОП в компьютерах, мобильных телефонах, спутниках, инструментальном оборудовании и автомобилях. Материалы по теме: - Ян Бородовский, Intel Fellow: Я верю в закон Мура!;
- На пороге сверхскоростей - плазмонная электроника;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Источник:

Растворимые имплантаты: одноразовая электроника для тела

Путём создания тонких и гибких кремниевых электронных компонентов на подложке из шёлка исследователи получили структуру, которая почти полностью растворяется в человеческом теле. Группа учёных уже продемонстрировала массив транзисторов, изготовленный по новой методике. Обычно имплантаты заключаются в защитный корпус, предотвращающий взаимодействие с внутренними тканями тела, однако новая технология не нуждается в этом, а шёлк сам по себе является природным материалом. Со временем он растворяется, а от первоначального имплантата остаются только отдельные элементы, не вызывающие раздражения из-за нанометровой толщины.
Имплантат
Имплантат из шёлка площадью 1 см2 с шестью кремниевыми транзисторами
По словам профессора неврологии и биоинженерии в Университете Пенсильвании (University of Pennsylvania) Брайана Литта (Brian Litt), сегодняшние устройства очень ограничены, поскольку должны быть "законсервированы", то есть изолированы от внешней среды, и базируются на твёрдом кремнии. Новые же решения взаимодействуют с тканями иным способом. Например, основанные на кремнии и шёлке LED-элементы функционируют как фотонные "татуировки", которые могут показывать уровень сахара в крови, а массивы электродов взаимодействуют с нервной системой. Аналогичную работу проводит профессор материаловедения и инженерии из Университета Иллинойса (University of Illinois) Джон Роджерс (John Rogers), который занимается биосовместимостью гибких растягивающихся кремниевых схем. Технология изготовления следующая. Кремниевые транзисторы миллиметровой длины и толщиной в 250 нм собираются на своеобразной печатной "марке", а затем переносятся на тонкий шёлк. Он удерживает каждый компонент на месте даже после имплантации в тело животных и смачивания в солёной воде. Характеристики транзисторов внутри тела не снижаются, эффект отторжения также отсутствует.
Гибкая электроника
Гибкая электроника Джона Роджерса (John Rogers)
В данной технологии шёлк играет хотя и пассивную, но важную роль. Он обладает достаточной механической прочностью для поддержки электроники, но обеспечив контакт с водой, материал приспосабливается к форме живой ткани. С течением времени он разлагается на абсолютно безвредные субпродукты. Срок задаётся с помощью регулирования условий процесса производства и может составлять от нескольких часов до многих лет. Благодаря же гибкости во время операции шёлковую подложку с электроникой легко развернуть на требуемом месте. Что касается биосовместимости кремния, она уступает шёлку, но проведённые до настоящего момента исследования не выявили опасности. Возможно, этот параметр зависит от размера и формы кремниевых частиц, поэтому учёные стараются уменьшить их. Ещё одни элементы схем в имплантатах – электрические контакты из золота и титана – также не представляют угрозы для организма, но, конечно, не разлагаются. Роджерс надеется создать растворимые контакты, и тогда "остатком" будет только кремний. Материалом для них снова выступит шёлк. Такие электроды для связи с нервной системой будут гораздо эффективнее, чем так или иначе прокалывающие ткань или располагающиеся сверху на ней современные образцы. Отдельные шёлковые контакты будут просто оборачиваться вокруг нервов, а их массивы, используемые с целью стимуляции мозговой активности (например, при болезни Паркинсона), можно будет разместить в ранее недоступных местах. Материалы по теме: - Создан глазной имплантат более безопасной конструкции;
- IT-Байки: Прозрачная и невидимая электроника;
- IT-Байки: Резиновая электроника.

С чернилами Xerox электронику можно печатать

Xerox разработала специализированные чернила для печати электронных схем на пластике, плёнках и текстиле. Хотя возможность размещения таких компонентов на гибких материалах не нова, метод компании дешев и прост достаточно для того, чтобы открыть двери в мир больших перспектив для электроники без привычных печатных плат. Чернила под условным названием "серебряная пуля" содержат проводящее электричество серебро, температура плавления которого ниже, чем пластика. Это значительное достижение, потому как обычное серебро плавится при 960° С (олово – при 232° С, медь - 1083° С), а в случае пластика пороговое значение - всего 150° С. Понятно, что ничего напечатать таким образом не получится. Тем и замечательны свойства новых чернил, которым для прихода в надлежащее для применения состояние не требуется больше 140° С.
Напечатанная электроника
В настоящее время Xerox ведёт обсуждение технологии с производителями. Она утверждает, что теперь способна изготавливать все необходимые для электроники на пластике компоненты: полупроводники, проводники и диэлектрики. Причём технологический процесс не требует особых условий в виде чистых помещений, без которых не обходятся фабрики чипмейкеров. Компания надеется, что её разработка поспособствует появлению новых устройств с невозможной ранее функциональностью. Например, электронных книг, похожих на настоящие не только размером и названием, "интеллектуальной" одежды, дешёвых меток RFID, гибких солнечных ячеек, складывающихся дисплеев и многого другого. Материалы по теме: - Солнечные панели будут печатать на стенах и крышах;
- IT-Байки: Резиновая электроника;
- IT-байки: Электроника будущего - бумажная, органическая, фотонная?.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥