Ученые разработали активируемые светом наномашины, которые могут внедряться в раковые клетки и убивать их в течение нескольких минут.

Нобелевская премия по химии за 2016 год была присуждена трём учёным: Жан-Пьеру Соважу из Университета Страсбурга, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту из Северо-Западного университета (США) и Бернарду Феринге из Университета Гронингена (Нидерланды), которые придумали, как построить эти молекулярные машины из цепочки атомов.

Для исследования, опубликованного в журнале Nature, ученые построили несколько таких наномашин. При активации светом наномашины нацеливались на определённые клетки и, прорываясь через мембрану, быстро убивали их.

Машины настолько малы, что собранные вместе 50 000 штук не превышают толщину одного человеческого волоса. Каждая машина спроектирована так, чтобы быть чувствительной к белку, находящемуся в определённом типе клетки, что помогает им найти свою цель. Если добавить света, машины начинают вращаться со скоростью до 3 млн оборотов в секунду, и это вращение обеспечивает мощность, необходимую для проникновения в клетку. Без поступления света наномашины могут только найти молекулу, но останутся на её поверхности.

Когда ученые запускали эти наномашины в ёмкость с клетками человеческих почек, они проделывали отверстия в клетках и убивали их в течение нескольких минут. То же самое произошло, когда наномашины были направлены на раковые клетки предстательной железы.

Данная технология пока находится на начальной стадии, поскольку следующие эксперименты по-прежнему будут проводиться с микроорганизмами и рыбами. Но есть надежда, что в будущем эти наномашины можно будет использовать или для адресной доставки лекарств, или на самом деле для уничтожения раковых клеток, что позволит освоить новые, более эффективные методы лечения.

Запуск спутников нанокласса «МКА-Н», изготовленных Dauria Aerospace для «Роскосмоса», изначально намеченный на конец 2015 года, вновь откладывается. Об этом сообщил в интервью информационному агентству RNS генеральный директор компании Сергей Иванов.

«Задержка вызвана тем, что спутники летят попутно с ракетой «Союз-2.1б» и спутником «Канопус-В ИК», а этот запуск был перенесен на середину 2016 года», — объяснил изменение графика Иванов.

Первые два космических аппарата МКА-Н (малогабаритный космический аппарат нанокласса), соответствуют стандарту CubeSat. Платформа CubeSat была разработана в 1999 г. Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами специально для малых спутников.

На спутниках размещена аппаратура дистанционного зондирования Земли в трёх спектральных диапазонах с разрешением 10–50 метров и возможностью высокоскоростной передачи целевой информации. Вес космического аппарата не превышает 10 кг, расчётный срок службы составляет 3 месяца.

В состав космической системы кроме спутников войдет наземный комплекс управления МКА-Н, а также станция приёма, записи и передачи информации. В дальнейшем предполагается доставлять на орбиту ракетой-носителем «Союз» до 24 наноспутников сразу.

Создать копию известной картины — достаточно сложное и трудоёмкое занятие. А создать копию, которая бы являлась самой миниатюрной версией признанного шедевра — это испытание, которое под силу единицам. Но теперь картина «Впечатление. Восходящее солнце», автором которой значится французский живописец и родоначальник импрессионизма Клод Моне (Claude Monet), обзавелась своим уменьшенным до рекордного размера аналогом. Достоверная копия была изготовлена группой учёных из Сингапура, а размер картины составил всего 300 мкм.

Чтобы понимать всю сложность проделанной при копировании работы, достаточно осознать, что 1 мкм равняется 0,001 мм. Но самое главное, что даже на таком нанофрагменте инженеры смогли точно передать оттенки и цвета оригинальной картины, применив для этого новый подход в использовании плазменных красок. Тем более, что написать в данном случае картинку с помощью классических масляных красок физически не представляется возможным.

Добиться разнообразности палитры, которая в итоге составила почти 300 цветов, помогли наностолбики из кремния с нанесённым сверху алюминиевым слоем. В зависимости от расположения этих столбиков менялся и конечный оттенок, что позволило комбинировать последовательности из четырёх кремниевых элементов для получения одного пикселя картины нужного цвета. Ниже для сравнения представлено оригинальное изображение работы Моне:

Стоит отметить, что прежде плазменные картины в сравнении с работой сингапурских мастеров выглядели куда проще и могли похвастаться всего 15 оттенками. Описанный же способ для миниатюризации «Впечатление. Восходящее солнце», о котором рассказал представитель Сингапурского университета технологии и дизайна и по совместительству один из разработчиков нанокартины Джоэль Ян (Joel Yang), даст возможность с максимальной точностью копировать работы и других мастеров живописи. Крошечные пиксели миниатюрных шедевров впоследствии можно будет использовать даже для хранения данных и наносить специальные охранные метки против кражи. 

Исследователи из Техасского университета в Остине (США) спроектировали, как утверждается, самый маленький, быстрый и долго работающий наномотор в мире. В перспективе подобные моторы могут использоваться в микроскопических роботах, предназначенных для доставки медикаментов к индивидуальным клеткам в организме человека.

Наномотор состоит из трёх ключевых компонентов: нанопроволоки, наномагнита и микроскопических электродов. Размеры по всем трём осям не превышают одного микрометра. При этом изделие способно вращаться со скоростью до 18 000 оборотов в минуту, а время непрерывной работы достигает 15 часов.

Учёные говорят, что функционирование наномотора можно без проблем контролировать. Его можно включать/выключать, изменять направление вращения и даже синхронизировать с другими аналогичными наномоторами.

На поверхность нанопроволоки могут наноситься какие-либо биохимические компоненты для доставки в нужную точку организма. Эти вещества будут высвобождаться с интенсивностью, пропорциональной частоте вращения наномотора.

В конечном счёте, как полагают исследователи, наномоторы позволят управлять микроскопическими роботами, способными удалять индивидуальные клетки, представляющие опасность для организма человека. Это откроет новые перспективы лечения злокачественных опухолей и других недугов. 

Разработка литиево-воздушных батарей в последние годы велась очень активно. Технология позволяет значительно увеличить емкость аккумулятора, уменьшив при этом вес. Такие батареи могут использоваться в электромобилях, где к данным параметрам предъявляются очень высокие требования. Впрочем, у данной технологии есть и определенные недостатки.

В частности, перед учеными встала проблема увеличения количества циклов зарядки-разрядки, а также использования более прочных материалов для электродов. Исследователям Массачусетского технологического института (MIT), кажется, удалось решить некоторые из этих проблем. Ученые предложили использовать модифицированные вирусы в процессе производства нанопроводов (диаметр такого провода примерно равен ширине красных кровяных телец). Нанопровода могут использоваться в качестве одного из электродов в литиево-воздушных батареях. Научная статья с полным описанием концепции опубликована в журнале Nature Communications. Авторы статьи — профессора Анжела Белчер (Angela Belcher) и Янг Шао-Хорн (Yang Shao-Horn), а также четыре аспиранта.

Суть идеи проста. Авторы решили увеличить площадь поверхности электродов, чтобы улучшить процесс электрохимической реакции. Это в свою очередь должно увеличить количество циклов зарядки-разрядки батареи. Исследователям удалось создать массивы нанопроводов диаметром около 80 нанометров каждый. С помощью вируса M13, который может захватывать молекулы оксида марганца из воды и связывать их в структурные формы, удалось создать шероховатую, с острыми выступами нанопроволоку со значительно увеличенной площадью поверхности. Эти нанопровода, по словам профессора Белчер, фактически «были выращены вирусами». Именно поэтому, в отличие от традиционных методов, удалось добиться такой структуры материала. Белчер объяснила, что данный процесс схож с тем, как морское ушко выращивает свою ракушку, собирая кальций из воды.

Среди преимуществ такого подхода можно выделить существенно сократившееся время зарядки батареи. Кроме того, сам процесс создания такого провода довольно прост и безопасен — он происходит при комнатной температуре в водной среде. Заключительный этап создания нанопровода — добавление палладия, что позволяет увеличить электропроводность материала и катализировать химические реакции. В теории данная разработка может в два-три раза увеличить плотность аккумулятора — возможность сохранять энергию по отношению к массе.

В статье подчеркивается, что работа над литий-воздушными батареями только началась, до коммерческих образцов еще очень далеко. Лабораторные образцы пока проверяли только в цикле 50 зарядок-разрядок, в то время как коммерческая батарея должна выдерживать тысячи циклов. С другой стороны, главный результат данного исследования в другом — найден новый способ производства нанопроводов для аккумулятора. Если вместо оксида марганца ученые будут использовать более совершенный материал, вирус все равно сможет собрать нанопровод с нужной структурой. Более того, данный механизм может быть использован и для других целей, а не только для сборки электродов.

Как правило, диагностика и определение ракового заболевания предполагает болезненную процедуру под названием биопсия, после которой следуют несколько волнительных для пациента дней (недель, в случае с особенно недобросовестными больницами или устаревшим оборудованием), когда ему приходится дожидаться диагноза. Однако теперь появился новый метод диагностики некоторых видов рака (в частности, рака губы и ротовой полости), который избавляет людей от всего вышеперечисленного.

Международная исследовательская команда, стоящая за проектом, недавно сообщила о получении $2 млн от Ассоциации национальных институтов здоровья США (National Institutes of Health). Средства пойдут на разработку теста, который является гораздо более простой, нежели биопсия, процедурой: из ротовой полоски безболезненно берется несколько клеток, которые помещают на чип, напоминающий кредитную карточку. Затем «кредитка» вставляется в разработанный ранее анализатор, выдающий результат спустя 10 минут – точность анализатора составляет 93%.

 

Профессор Джон МакДевитт, стоящий во главе разработки наночипа-детектора, держит в руках анализатор от LabNow

Анализатор «прогоняет» образец через систему микроканалов, где он попадает в контакт с биомаркерами, вступающими в реакцию только с зараженными клетками определенного типа. После чего здоровые и больные клетки разграничиваются при помощи пары светодиодов (за счет разности в свечении клеток).

Если текущие исследования докажут, что анализатор по эффективности не уступает биопсии, тогда стоит ожидать его появления в стоматологических кабинетах. Согласитесь, зайдя к стоматологу на плановый визит, не лишним будет проверить себя. Тем более, что не нужно выстаивать длинную очередь, подвергаться болезненной процедуре и потом неделями ждать результата.

Материалы по теме:

• Пластырь-прививка с растворяющимися иглами – нет шприцам!
• Видео дня: экзоскелет как замена инвалидной коляски от Rex Bionics;
• 3-D Bioplotter: принтер вместо донора;
• Роботы в хирургии: операции всё сложнее и сложнее.

Чтобы собирать практически дармовую энергию, не предпринимая при этом специальных физических усилий, не обязательно дожидаться одежды со встроенными солнечными ячейками – есть более близкая к реальности и не зависящая от капризов погоды технология. В Принстонском Университете (Princeton University) разработаны генерирующие энергию эластичные плёнки, которым нужна лишь двигательная активность – ходьба, дыхание и тому подобное. Созданный учёными материал состоит из встроенных в силиконовые пластины керамических нанолент и при изменении формы конвертирует механическую энергию в электричество. Однажды изготовленные с применением разработки кроссовки смогут обеспечить потребности того же мобильного телефона. А будучи встроенным в кардиостимуляторы, материал избавит от необходимости замены элемента питания. Как заявляет принстонская команда исследователей, она первой успешно объединила силикон и наноленты из цирконата-титаната свинца (lead zirconate titanate, PZT) – керамического материала, являющегося пьезоэлектриком, то есть генерирующим электрический заряд при деформации. Среди всех таких материалов PZT наиболее эффективен, поскольку конвертирует 80% приложенной механической энергии. По словам возглавляющего проект профессора механической и аэрокосмической инженерии Майкла МакЭлпейна (Michael McAlpine), PZT в 100 раз эффективнее кварца. А это исключительно важный параметр, ведь во время ходьбы генерируется немного энергии, и чем большее количество будет трансформировано, тем лучше. Наноленты настолько малы, что 100 уложенных рядом поместятся в пределах миллиметра. После интегрирования в прозрачные листы силикона получаются устройства, которые исследователи называют "пьезоэластичными чипами". Поскольку силикон биологически совместим, его контакт с телом не грозит никакими последствиями. По оценке МакЭлпейна, новые высокотехнологичные генераторы могут быть имплантированы в тело для постоянного обеспечения питанием медицинских приборов без риска отторжения. Как и свойственно пьезоэлектрикам, существует обратный эффект: внешний источник тока деформирует материал. Это открывает другие перспективы – например, в области микрохирургических инструментов. Ещё одна характерная особенность разработки – это масштабируемость, то есть со временем чипы будут становиться больше. Правда, сроки не называются. Материалы по теме:

• Ткани-батарейки – уже в лабораториях;
• Шестиугольные солнечные микроячейки для одежды-батарейки;
• Европейская компания нацелилась на энергию из космоса.

Команда физиков предложила использовать для создания "плаща-невидимки", а точнее мягкого и легко меняющего форму метаматериала, растворённые в воде покрытые серебром частицы. Теоретическая жидкость Джи-Пинга Хуанга (Ji-Ping Huang) его коллег из шанхайского Университета Фудана (Fudan University) включает микроскопические сферы диаметром 10 нм из магнетита, на которые нанесён 5-нм слой серебра и полимеры, предотвращающие слипание частиц. В отсутствие магнитного поля такие элементы будут просто пребывать в воде в свободном состоянии, но если включить поле, они сформируют цепочки, чья длина будет зависеть от его силы. Предполагается, что цепочки смогут образовать "колонны" путём притяжения друг к другу. Их расположение должно соответствовать направлению силовых линий магнитного поля. Если их сориентировать вертикально в ёмкости с водой, попадающий на поверхность свет будет испытывать отрицательное преломление, которого невозможно достичь с природными материалами. Электромагнитные волны обогнут закрытый таким "щитом" объект, и наблюдатель его просто не увидит. Также теоретически возможно поместить подобную жидкость в линзы для получения недоступного любому оптическому микроскопу разрешения. Учёные провели моделирование для видимого красного и инфракрасного участков спектра и получили подтверждение отрицательного преломления волн этих частот. Хотя никаких реальных устройств ещё нет, уже слышится критика работы исследователей. Так, Ульф Леохардт (Ulf Leonhardt) из британского Университета св. Эндрю (University of St Andrews) находит предложение Хуанга очень интересным, но сомневается, что материал сможет создавать одинаковый эффект для всего спектра видимых волн, поскольку сложно предотвратить поглощение некоторого количества света или отражение в "неправильную" сторону. Это приведёт к появлению тёмных точек на "невидимом" объекте. Твёрдые метаматериалы, которые обладают отрицательным коэффициентом преломления для длинных красных волн, разработаны ещё несколько лет назад, однако захватить остальную часть видимого спектра учёным пока не удалось: чем короче волны, тем более микроскопическими должны быть структуры для управления ими. Но Хуанг уверен в возможностях своей разработки при верно выбранных характеристиках покрытия наночастиц. Пока работа лишь теоретическая, однако по словам Хуанга команда исследователей начала заниматься реализацией результатов изысканий на практике. Материалы по теме: - Учёные поймали радугу;
- Новое ПО показывает, как выглядит невидимость;
- IT-байки: О невидимости, с фокусами и без.

Техасские учёные сообщают о разработке "нанодрагстера", который может ускорить появление нового поколения футуристических молекулярных машин. "Транспортное средство" тоньше человеческого волоса в 50 тыс. раз и повторяет в общих чертах форму этого типа гоночных автомобилей. Как отмечают Джеймс Тур (James Tour), Кевин Келли (Kevin Kelly) и другие исследователи, возможность управления движением небольших молекул является крайне необходимой для создания многообещающих молекулярных устройств. Некоторым из них могут найти применение в производстве будущих компьютерных чипов и других электронных компонентов. Ранее уже удавалось получить "наноавтомобиль" с колёсами в виде сфер из 60 атомов углерода. Такая машина может скользить по покрытой золотом поверхности под действием тепла или электрического поля. Но контроль за процессом ограничен, что не позволяет применять подобные структуры более широко. Наиболее лимитирующий фактор – это инструменты с наномасштабным разрешением, используемые для изучения поведения и свойств молекулярных устройств. Новый "нанодрагстер" решает некоторые из проблем. Его передняя часть имеет меньшую ось, колёса на ней сделаны из материалов, которые легче перемещаются. Задние колёса крепятся к длинной оси, а их сферическая форма создаёт достаточно сильное сцепление с поверхностью. В результате эта машина действует при более низких температурах и возможно обладает лучшей подвижностью. Материалы по теме: - Научные прорывы 2009 года;
- Контактные линзы с наночастицами покажут диабетикам уровень сахара;
- IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино!.

Среднегодовой темп роста индустрии оборудования для производства наноматериалов составит 10,4% в период между 2009 и 2014 гг. По оценке компании Innovative Research and Products, объём рынка к тому времени достигнет $90,4 млрд. Сектор полупроводниковых пластин будет испытывать подъём на 14% ежегодно, и через пять лет достигнет $20,6 млрд. В то же время в течение последних лет оба рынка падали. Продажи пластин составили $12,1 млрд, $11,4 млрд и $10,7 млрд в 2007, 2008 и 2009 гг. соответственно. В следующем же году рост возобновится, и продажи согласно прогнозам увеличатся на 9,3% до $11,7 млрд. В течение трёх последних лет рынок оборудования снижался с $67,9 млрд в 2007 году до $62,1 млрд в 2008 и $55,1 млрд в 2009. В следующем году должен быть зафиксирован рост на 10,7% до $61 млрд. В целом производители полупроводников и электроники потратили около $80 млрд в 2007 г. и $74 млрд в следующем на кремниевые пластины, материалы и оборудование. Установки для размещения материалов на пластинах занимали в 2008 г. 19% долю рынка "нанопроизводственных" продуктов, оцениваемую в $11,4 млрд. Пятая часть поставок принадлежала литографическому оборудованию ($12,4 млрд), излучающим технологиям – 9% рынка и $5,6 млрд, решениям для тестирования компонентов и процессов – 17% и $10,56 млрд. Продажи в метрологическом сегменте составили $6,83 млрд (11% "нанорынка"). Затраты на исследования и разработки для совершенствования технологий производства наноматериалов превысили $7 млрд в год на уровне корпораций. В настоящее время 30-40% стоимости полупроводникового производства – это затраты на литографию, включая маски, резисты и метрологические техники. Цифры зависят преимущественно от количества интегральных схем на один заказ их разработки и возраста производственного оборудования. Материалы по теме: - Первые трёхмерные интегральные схемы из нанотрубок;
- Пружины из нанотрубок избавят человечество от аккумуляторов;
- IT-байки: Графан - сын графена, дедушка электроники будущего.

Страдающие диабетом люди вскоре могут получить технологию, с которой, как надеется разработчик, их жизнь станет легче. Диабетики вынуждены непрерывно контролировать уровень сахара в крови, и обычно это делается путём забора и анализа крови. Профессор в области химической и биохимической инженерии Жин Женг (Jin Zhang) из Университета Западного Онтарио (University of Western Ontario) предлагает инновационное решение проблемы: его "неразрушающая" технология предполагает использование контактных линз, которые в соответствии с изменением уровня глюкозы меняют цвет. Ответом на вызов болезни стали наночастицы. Помещённые в линзы из гидрогеля, они взаимодействуют с молекулами глюкозы в появляющихся естественным путём слезах. Химическая реакция вызывает изменение цвета. В детали Женг не вдаётся. Учёный уже получил $216 тыс. от Канадского фонда инноваций (Canada Foundation for Innovation) для дальнейшей работы с многофункциональными нанокомпозитами, потенциал которых простирается далеко за пределы биомедицины. Например, плёнки из них могут предотвратить порчу пищевых продуктов, закрывая доступ кислороду, углекислому газу и влаге к органической материи. Технология также позволяет создать разлагаемую под действием бактерий упаковку. Материалы по теме: - USB-чехол для дезинфекции зубных щеток;
- Электронные контактные линзы – очередной шаг к добавленной реальности;
- Гибкие солнечные ячейки восстановят зрение.

• communications.uwo.ca

Исследователями из Университета Иллинойса (University of Illinois) предложена концепция так называемых цифровых квантовых батарей, которые должны обладать во много раз большей ёмкостью, чем сегодняшние аккумуляторы. Идея предполагает использование миллиардов конденсаторов наномасштабных размеров и основана на квантовых эффектах, проявляющихся на уровне атомов. Обычные простейшие конденсаторы состоят из пары проводящих пластин, или электродов, разделённых изолирующим слоем материала или воздуха. Прикладывая к ним напряжение, можно создать электрическое поле и позволить заряду накопиться на обкладке. Но возможности конденсатора не бесконечны – по достижении определённой величины заряда возникают такие эффекты, как "искры" между обкладками и утечки, а при некотором уровне напряжённости поля возможен электрический пробой, и весь заряд теряется. Учёные предлагают создать наномассивы конденсаторов, расстояние между электродами которых должно составлять около 10 нм (или 100 атомов). При этом действующие в таком масштабе квантовые эффекты будут сдерживать увеличение концентрации свободных носителей заряда и соответственно утечки. Данное явление нельзя назвать открытием – в течение многих лет о проявлении необычных свойств наноконденсаторами было известно, и причиной предотвращения потери энергии, свойственной для макромира, назывался именно масштаб элементов. Однако, как считает один из авторов концепции Альфред Хаблер (Alfred Hubler) из Университета Иллинойса, "люди не осознавали, что большое значение электрического поля означает большую плотность энергии, и оно может быть использовано для устройств хранения энергии, которые намного превосходят всё существующее сегодня". Согласно подсчётам Хаблера, итоговая удельная мощность может на порядки превышать любую из применяемых ныне технологий, а количество хранимой энергии – быть в 2-10 раз выше по сравнению с лучшими литий-ионными аккумуляторами. Более того, для производства цифровых квантовых батарей не понадобится модификация используемого в настоящее время литографического процесса, а необходимые материалы – кремний, железо и вольфрам – относительно дёшевы и нетоксичны. Лабораторный прототип Хаблер надеется изготовить уже через год, и устройства либо вовсе не будут терять энергию, либо потери окажутся совсем незначительны при поглощении и высвобождении ими электронов. Но сейчас предлагаемый тип источников питания – это только запатентованная идея. Учёный получил финансирование своих исследований от DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), и теперь предстоит доказать их результативность на практике и ответить критикам. Например, профессор Джоель Шиндел (Joel Schindall) из Массачусетского технологического института (MIT) вообще не уверен, что наноматериалы не разрушатся после накопления заряда. Хотя он признаёт концепцию заслуживающей внимания: "Я заинтригован, потому как у него есть обоснованные аргументы в пользу того, что для таких квантовых размеров эффект накопления энергии по меньшей мере может быть значителен". В некотором смысле концепция представляет собой вариант существующих микро- и наноэлектронных устройств. Как говорит Хаблер, "если посмотреть на это с точки зрения цифровой электроники – это всего лишь флеш-диск". Другой аналог – миниатюрные вакуумные трубки, как в плазменных ТВ. Физики же видят сеть из конденсаторов. "Цифровая" часть следует из факта, что каждый элемент будет адресуем независимо. Поэтому помимо "голой" энергии теоретически возможно хранить данные. Существуют и другие способы повышения характеристик конденсаторов. Так, ультраконденсаторы благодаря увеличению площади поверхности электродов и электролитам способны функционировать быстрее обычных ёмкостей. Шиндел повысил этот параметр и количество хранимого заряда использованием нанотрубок вместо угля на поверхностях электродов в уже созданном прототипе. И хотя Хаблер ещё не достиг практической фазы своей работы, он ссылается на проведенное в 2005 году исследование корейских учёных, показавшее реальность изготовления наноконденсаторов. Материалы по теме: - Новым батареям для ноутбуков от Panasonic не страшны замыкания;
- Атомная энергия для электроники кибержуков;
- Чернила с нанотрубками превращают бумагу в суперконденсатор.

• netfiles.uiuc.edu

Тайваньские учёные создали микроскопические чипы, которые могут лечь в основу более лёгкой и дешёвой электроники – портативных компьютеров, мобильных телефонов, плееров. Согласно заявлению Национальной лаборатории наноустройств (National Nano Device Laboratories) в Хсинчу, её исследователи достигли успеха в размещении большего количества транзисторов на меньшей площади кристалла, чем в любой из существующих разработок. Сегодня лишь изредка встречаются ноутбуки с массой менее 1,5 кг, однако новая технология, по словам возглавляющего лабораторию Янга Фу-лианга (Yang Fu-liang), может снизить её втрое. Аналитик издания Digitimes Нобунага Чеи (Nobunaga Chai) назвал достижение "самой продвинутой технологией чипов". Янг со своей командой работает над 16-нм техпроцессом, относящимся к пространству между транзисторами на кристалле. Чем оно меньше, тем выше плотность размещения элементов. Для сравнения: в среднем длина ногтевой фаланги человека составляет 25 млн нм, или 25 мм. 16 нм – это огромный вызов для учёных и рассматривается как "последний рубеж". Другое достижение в миниатюризации продемонстрировали исследователи из Университета Гента (Ghent University) в Бельгии, которые разместили крошечную карту мира – её масштаб равен 1 к 1 трлн – на оптическом кремниевом чипе. Окружность Земли на экваторе (40000 км) была уменьшена до 40 мкм, или до половины толщины волоса человека. Карта поместилась в углу чипа, созданного в рамках проекта для Группы исследований фотоники (Photonics Research Group) при университете. Идея состояла в демонстрации возможности масштабного уменьшения комплексных оптических компонентов. Подобные чипы могут найти применение в телекоммуникациях, высокопроизводительных вычислениях, биотехнологиях и здравоохранении. Самые мелкие детали на карте имеют размер около 100 нм. Её создание включало 30 производственных этапов и четыре разных слоя с различной толщиной. Технологии кремниевой фотоники – это развивающаяся область исследований, объединяющая оптические схемы в небольших чипах. Манипуляции со светом производятся в субмикрометровом масштабе в крошечных фотонных проводниках, или волноводах. Такие кремниевые микросхемы могут содержать в миллионы раз больше компонентов по сравнению с использованием традиционной "стеклянной" фотоники. Материалы по теме: - IBM: 11 нм не предел для кремниевых чипов;
- Tilera собирается выпустить стоядерные процессоры;
- 48-ядерный процессор Intel: чип вместо ЦОД.

• www.photonics.intec.ugent.be, www.physorg.com

Исследователи из Стэнфордского университета (Stanford University) создали первые трёхмерные электронные схемы из нанотрубок. Данное достижение может стать важнейшим шагом на пути к компьютерам с вычислительными элементами на основе нанотрубок, обладающим превосходящим сегодняшнюю "кремниевую" технику быстродействием и потребляющим меньше энергии. До их появления должно пройти ещё не менее 10 лет, но значительность результата стэнфордских учёных в том, что показана принципиальная возможность "послойного" размещения наноэлементов из углерода. Подобные чипы будут иметь большую вычислительную мощность на единицу площади и лучше рассеивать тепло. Недавнее исследование компании IBM показало, что для некоторого количества потребляемой мощности электроника из нанотрубок функционирует в пять раз быстрее, чем кремниевая. "Мы можем и дальше уменьшать размеры транзисторов, но в очень малых масштабах они прекращают показывать желаемые характеристики, - говорит управляющий углеродными технологиями в IBM Watson Research Center Жионг Чен (Zhihong Chen). – Поэтому мы ищем альтернативные материалы, размеры элементов из которых можно уменьшать более агрессивно с сохранением быстродействия". Исследователи уже достигли некоторого успеха в изготовлении единичных транзисторов из нанотрубок в лабораториях, однако до сих пор комплексные цепи из них получать не удавалось вследствие невозможности контроля качества каждой отдельной нанотрубки. Стэнфордская разработка, представленная на прошедшей международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 в Балтиморе, открывает возможность создания сложных структур несмотря на ограничения материалов. Как рассказывает профессор электронной инженерии Филип Вонг (Philip Wong), работа со множеством элементов в наномасштабе означает возникновение сложностей с формированием идеальных структур. Вырастив массив нанотрубок для дальнейшего создания из них электрических схем, исследователи получили смесь из полупроводниковых металлических трубок, которая имела тенденцию к коротким замыканиям. Некоторые из нанотрубок были объединены в прямые линии, другие же имели вид изогнутых форм, и это в том числе являлось препятствием. Пока химики занимаются методами выращивания исключительно прямых структур без примесей, команда Вонга поставила себе задачу ответить на вопрос, каким образом можно обойти проблему или смягчить оказываемый ею эффект. Ответ заключается в конструкции схем. Необходимо вместо удаления металлических нанотрубок учесть их присутствие и разрабатывать соответствующий дизайн электронных цепей. Для начала учёные создают пустую разметку, и при помощи матрицы переносят выровненный однослойный массив углеродных нанотрубок, выращенных на кварцевой подложке, на кремниевую пластину. Над массивом помещаются металлические электроды. Между нанотрубками и кремнием находится выступающий тыловым затвором изолирующий слой, который позволяет прекратить подачу питания на полупроводниковые трубки перед использованием электродов для сжигания металлических нанотрубок разрядом электричества. Верхний затвор располагается так, чтобы не контактировать с выбивающимися из общей ровной структуры трубками. Наконец, металлические электроды удаляются как излишний компонент. Трёхмерная схема получается простым повторением процесса. Такое "штампование" является ключевым в создании многослойной структуры, потому что производится при низких температурах без повреждения металлических электрических контактов. По словам возглавляющего технологическую микропроцессорную лабораторию Intel Шекара Боркара (Shekhar Borkar), пока стэнфордская команда продемонстрировала небольшие и простые схемы наподобие кремниевых 1960-х годов. Например, был изготовлен "калькулятор", способный складывать и хранить числа. В настоящий момент учёные пытаются получить более сложные решения. Углеродные нанотрубки не ставят на этом пути фундаментальные барьеры. Их массивы в лабораториях исследователей одни из самых плотных, с 5-10 трубками на микрометр, но и этого пока недостаточно – требуемая цифра на порядок больше. Материалы по теме: - Первая нить из нитрид-борных нанотрубок;
- Тонкоплёночные транзисторы дисплеев переходят на нанотрубки;
- Сверхдлинные нанотрубки – будущее передающих линий.

• www.technologyreview.com

Учёные из Стэнфордского университета (Stanford University) применили нанотехнологии, чтобы создать сверхлёгкие, гибкие батареи и суперконденсаторы в виде обычной бумаги. Простое покрытие бумажного листа чернилами с углеродными нанотрубками и нанопроводниками из серебра объединяет эти материалы в устройство хранения заряда. Как известно, конденсаторы способны удерживать заряд в течение меньшего промежутка времени по сравнению с аккумуляторами, но зарядка также происходит существенно быстрее. По словам доцента материаловедения и инженерии Юи Кю (Yi Cui), используемые им наноматериалы содержат структуры с очень маленьким диаметром, что позволяет чернилам прочно держаться на волокнистой бумаге и делает батареи и конденсаторы износостойкими. Бумажный суперконденсатор выдерживает 40 тыс. циклов накопления и отдачи заряда – как минимум на порядок больше литий-ионных батарей. Ранее Кю уже создавал устройства хранения энергии с использованием пластика. Его новое исследование демонстрирует, что бумажные решения обладают большей прочностью вследствие сил сцепления между чернилами и бумагой. Более того, такую батарею можно изгибать, мять и помещать в растворы без последствий для характеристик. "Мы только не пробовали жечь устройства", - говорит доцент. Подсчёты показали, что покрытая килограммом чернил с нанотрубками бумага будет питать 40-Вт лампу около часа. Гибкость бумаги позволяет найти высокотехнологичным решениям на её основе множество применений. Суперконденсаторы пригодны для электрических или гибридных автомобилей, для которых важно время подзарядки. Преимуществом является отношение площади поверхности бумажных суперконденсаторов к их объёму. Исследователи утверждают, что коммерциализация разработки не затянется, а особые перспективы Кю видит в крупномасштабных распределительных сетях: генерируемое ночью чрезмерное количество энергии может быть сохранено для периодов пиковых нагрузок в течение дня. Не менее привлекательна новая технология и для "ферм" из ветрогенераторов или солнечных систем генерирования электроэнергии. Материалы по теме: - Солнечные батареи на перчатках и шапке;
- Увеличиваем время работы от батарей – рекомендации Intel;
- Батареи с ионной жидкостью – прорыв среди аккумуляторов.

• www.technologyreview.com