Теги → нанотрубки
Быстрый переход

Жидкий металл повержен: Fujitsu разработала термопрокладку на углеродных нанотрубках

Японская Fujitsu разработала первую в мире теплопроводную прокладку на углеродных нанотрубках в виде листа с клейким основанием. Теплопроводность плёнки достигает внушительных 100 Вт/м·К. Утверждается, что это до трёх раз лучше, чем обеспечивают теплопроводящие материалы на основе индия. Тонкие и гибкие плёнки помогут охлаждать поверхности с искривлённой геометрией и миниатюрные полупроводниковые приборы.

Термоплёнки Fujitsu на углеродных трубках с клейким основанием

Термоплёнки Fujitsu на углеродных трубках с клейким основанием

Теплопроводность углеродных нанотрубок в десять раз выше, чем у меди. Проблемой было создать теплопроводный слой из нанотрубок в виде удобного для работы материала с клейким основанием. Например, в виде подходящего для резки на части листа или плёнки. Другой трудностью долго оставалась проблема низкой теплопроводности связующего углеродные трубки клея (смолы), а также относительная хрупкость самих нанотрубок, что препятствовало гибкости материала.

Исследователи Fujitsu решили все проблемы и готовы предоставлять лицензию на новый отводящий тепло материал всем заинтересованным производителям. В компании считают, что новшество будет с энтузиазмом воспринято в среде производителей электроники для электромобилей. Например, блоки питания и преобразователи для электротранспорта начинают делать с использованием силовых полупроводников на основе нитрида галлия. Такие решения на порядок меньше по размерам, чем на кремниевых элементах, но это же и означает необходимость уделять больше внимания системам отвода тепла. Плёнки Fujitsu на углеродных нанотрубках готовы взять эту работу на себя.

Структура термопдёнок Fujitsu на углеродных нанотрубках

Структура термоплёнок Fujitsu на углеродных нанотрубках

Углеродные трубки в составе термолистов Fujitsu расположены не как попало, а строго вертикально (перпендикулярно подложке). Это делает отвод тепла от одного края листа к другому максимально продуктивным без рассеивания внутри слоя. От повреждений углеродные трубки защищены двумя специальными внутренними слоями, а толщина клея (ламината), которым концы трубок крепятся к подложке, выбрана таким образом, чтобы не сильно снижать теплопроводность. В результате даже с клеем и клеевой основой теплопроводность нового материала Fujitsu составила 100 Вт/м·К. Это примерно в четыре раза меньше, чем у чистой меди, но сфера и удобство применения тонких наноуглеродных плёнок обещают оказаться намного больше.

Транзистор на углеродных нанотрубках впервые преодолел 100-ГГц барьер

На днях молодая компания Carbonics опубликовала в журнале Nature Electronics статью, в которой сообщила о рекордном достижении в области электронных приборов на углеродных нанотрубках. На основе опытной технологии производства транзисторов с использованием нанотрубок впервые удалось продемонстрировать работу прибора на частоте свыше 100 ГГц применительно к сфере радиопередачи. Это открытие обещает привести к бурному развитию радиотехнологий в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, включая сети 5G.

Основные типы углеродных нанотрубок (Википедия)

Основные типы углеродных нанотрубок (Википедия)

Следует отметить, что компания Carbonics получила средства на исследования  по программе DARPA от военных США и американских ВВС. Первое практическое использование технологии будет отдано на откуп военным США. Это означает, что они получат новые радарные установки и новые средства связи. Добавим, что компания Carbonics в 2014 году была выделена из совместного исследовательского центра Калифорнийского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA-USC) и из совместного проекта UCLA-USC с Городом науки и техники имени короля Абдулазиза Саудовской Аравии (KACST).

Исследователи из Carbonics создали уникальную технологию осаждения ZEBRA, которая позволила преодолеть главное препятствие на пути к электронным приборам на углеродных нанотрубках ― проблему создания плотных и выровненных в одном направлении массивов нанотрубок. Уникальность углеродных нанотрубок в том, что они проводят электроны в одном тончайшем слое, но выровнять все трубки в одном направлении представлялось проблематичным. Компания Carbonics решила эту проблему, хотя до выпуска электронных приборов в масштабе серийного производства всё ещё далеко.

Технология ZEBRA, сообщают разработчики, «это тот переломный момент, после которого нанотрубки становятся серьёзным конкурентом кремнию в практически всех областях микроэлектроники». С помощью данной технологии выровненные массивы углеродных нанотрубок можно создавать на любой поверхности, включая обычные кремниевые пластины, кремний на изоляторе, кварцевое стекло и гибкие материалы. Это означает, что технология интегрируется с традиционной цифровой логикой КМОП и преодолевает все существующие ограничения для гетерогенных интеграционных решений. Осталось придумать, как сделать её пригодной для массового использования и перейти от лабораторных испытаний к заводским.

Американские военные оплатили разработку устойчивых к радиационному поражению чипов

Обычные полупроводники плохо реагируют на повышенный радиационный фон. Излучение приводит к спонтанным процессам в кремнии, что чревато сбоями и ошибками при работе с памятью. Это неприемлемо для ведения боевых действий в условиях радиационного поражения. Также устойчивость электроники к жёсткому излучению была бы кстати в мирных условиях: в космических аппаратах, в медицинской технике и не только.

Помощь в создании устойчивых к жёсткому излучению чипов американским военным будет оказывать компания SkyWater. Это спин-офф известного разработчика чипов компании Cypress Semiconductor. Компания SkyWater отличилась тем, что разработала промышленную технологию выпуска чипов на углеродных нанотрубках и довела разработку до выпуска опытных решений. В перспективе, уверяют в SkyWater, 90-нм многослойные монолитные чипы компании на памяти PRAM и транзисторах на углеродных нанотрубках (по структуре они похожи на 3D NAND) будут в 50 раз производительнее современных 7-нм SoC.

Вчера SkyWater сообщила, что министерство обороны США выделит компании $180 млн на создание технологии и развёртывание производства чипов, устойчивых к жёсткой радиации (Rad-Hard). Эти чипы должны выдерживать намного более интенсивное облучение, чем современные толерантные к излучению полупроводники. Например, речь идёт об открытом космосе и о действиях на полях сражений с применением ядерного вооружения. В то же время SkyWater обещает, что параллельно компания будет вести гражданскую линию продуктов, которые также найдут применение в массовой потребительской электронике.

Первый транш в размере $80 млн компания SkyWater планирует потратить на строительство новой чистой комнаты площадью 5574 м2 на собственном производстве. Тем самым SkyWater подтверждает, что будет не только создавать технологии, но также намерена стать производственным подрядчиком Министерства обороны США. Также на первом этапе финансирования компания намеревается нанять от 30 до 50 высококлассных инженеров к уже имеющемуся штату из 500 специалистов.

Процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок (MIT)

Процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок (MIT)

На следующем этапе финансирования SkyWater планирует заменить алюминиевые проводники в чипах на медные соединения. Это изобретённая ещё в 90-е так называемая дамасская технология IBM, которую, например, компании Intel и AMD используют с начала 2000-х годов. Переход SkyWater на медь позволит снизить технологические нормы производства с 90 нм на 65 и даже 45 нм. Отметим, в пресс-релизе нет упоминания о чипах на углеродных нанотрубках. Однако SkyWater уже работает с DARPA по этому проекту, и вряд ли она дальше будет заниматься чем-то иным.

Представлен полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок

Первый полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок произнёс свои первые слова, которыми стали «Hello, World!». Статья о работе опубликована в свежем номере издания Nature. Судя по всему, речь идёт о разработке, первое сообщение о которой прозвучало месяц назад на одном из плановых мероприятий под эгидой агентства DARPA.

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Напомним, стартап SkyWater совместно с компанией Analog Devices разрабатывают технологию изготовления многослойных микросхем на основе транзисторов из углеродных нанотрубок. На конференции DARPA в середине июня глава SkyWater и сотрудник MIT Макс Шулакер (Max Shulaker) показал первую выпущенную на производстве кремниевую пластину с процессорами на углеродных нанотрубках. Статья в Nature, судя по всему, проливает свет на эту разработку.

Макс Шулакер с кремниевой пластиной с процессорами на CNT (DARPA)

Макс Шулакер с кремниевой пластиной с процессорами на CNT (DARPA)

Использование новых материалов для выпуска чипов необходимо по той простой причине, что полупроводники исчерпали себя с точки зрения дальнейшего снижения норм технологического процесса. Это было ведь так просто! Уменьшай размер элемента на кристалле, а всё остальное ― производительность и потребление ― приложится. Увы, после снижения разрешения до единиц нанометров дальнейший прогресс стал невозможен. По крайней мере, за разумные деньги.

MIT

MIT

Углеродные нанотрубки с их чудесными электрическими свойствами и малыми размерами (до 2 нм в диаметре) обещают высокие токи и малые задержки в существенно меньшем объёме пространства затвора транзистора. Проблема в том, что углеродные нанотрубки сегодня ― это хаос в ориентации, объёме и в чистоте материала. Учёные пока не научились выращивать отдельные нанотрубки в нужном месте (между затворами транзистора) с нужной ориентацией (от одного затвора к другому) и в необходимом количестве (в идеале ― одной трубки на транзистор). Разработка SkyWater ― это попытка борьбы с хаосом, которая похожа на положительный результат.

Разработчики создали техпроцесс, который можно реализовать на современном КМОП-производстве чипов. На кристалле обычными методами проецирования и травления создаются металлические контакты в виде затворов и проводников для сигналов и питания. Затем на кристалл осаждается массив углеродных нанотрубок, на который затем наносится специальный материал, играющий роль фоторезиста. Этот материал связывает нанотрубки и затем с помощью обработки ультразвуком выламывается вместе с ними в тех местах, где они не нужны.

Там где трубки нужны ― между затворами в качестве каналов транзисторов ― дополнительно происходит обработка фоторезиста с вымыванием значительной части лишних нанотрубок. То, что остаётся, работает в качестве каналов n- или p-типа. Проводимость (тип канала) определяется нанесением поверх нанотрубок дополнительного оксидного слоя. Это аналогично легированию полупроводников, поскольку в сами нанотрубки невозможно внести дополнительные примеси.

Остаётся проблема с чистотой материала. Для полупроводников чистота важна, но это требование не столь сильно, как в случае нанотрубок. Среди углеродных нанотрубок могут попадаться металлические. Если в затворе транзистора будет даже одна металлическая нанотрубка из сотен тысяч, то она значительно изменит характеристики транзистора. Победить это невозможно, но можно возглавить. Разработчики научились использовать такие «дефектные» транзисторы при проектировании чипа и они нормально работают в логике схемы.

Итак, что же в результате получилось? На основе транзисторов на углеродных нанотрубках группа Макса Шулакера с использованием открытого набора команд RISC-V создала 32-битный процессор с 16-битной адресацией памяти. Процессор содержит свыше 14 000 транзисторов, каждый из которых полностью рабочий, что подтверждается отработкой программы с выводом фразы «Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.». Транзисторы сгруппированы в инверторы, а из инверторов построена остальная необходимая логика. Процессор отрабатывает обычные 32-битные инструкции RISC-V без каких-либо модификаций. Конечно, 14K транзисторов ― это не то, что хотелось бы увидеть, но с чего-то ведь надо начинать?

Нейросети помогут в синтезе углеродных нанотрубок

Российские исследователи предложили технологию, позволяющую контролировать рост углеродных нанотрубок с помощью нейронных сетей. Ожидается, что это поможет в создании электронных устройств нового поколения.

Авторы работы — специалисты Лаборатории наноматериалов Сколтеха. Учёные объясняют, что тонкие плёнки из углеродных нанотрубок представляют собой самый перспективный на сегодняшний день материал для использования в оптоэлектронике, энергетике и медицине будущего. Однако существует проблема: контролировать многофазный процесс производства нанотрубок крайне сложно.

Российские специалисты предлагают использовать нейросети для анализа экспериментальных данных и предсказания эффективности синтеза однослойных углеродных нанотрубок.

В частности, метод предполагает применение искусственных нейронных сетей, обученных на таких экспериментальных параметрах, как температура, давление газов и скорость потока вещества, для контроля характеристик производимых плёнок из нанотрубок.

Учёные считают, что технология поможет создать эффективное производство углеродных нанотрубок, что откроет новые перспективы их применения. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon

Впервые на заводе выпущен монолитный чип с транзисторами из нанотрубок и PRAM

По свидетельствам частых посетителей мероприятий DARPA, выступления инженеров на этих собраниях под эгидой Министерства обороны США редко вызывают шквал аплодисментов. Но на последней конференции DARPA в прошлый вторник это произошло. Эту честь заслужил Макс Шалакер (Max Shulaker) ― старший преподаватель Массачусетского технологического института и один из основателей молодой компании SkyWater Technology. Со сцены он объявил о выпуске на производстве первой пластины с монолитными 3D-чипами с использованием транзисторов на углеродных трубках и памятью PRAM.

DARPA

DARPA

Компания SkyWater получила самый крупный грант в рамках новой программы DARPA по возрождению электронной промышленности США (ERI). Разработка SkyWater ведёт к появлению так называемых 3DSoC ― высокоинтегрированных многослойных микросхем с логикой и памятью в максимально тесной конфигурации. Но главное, что такие чипы можно будет выпускать с применением старых техпроцессов. Сочетание высокой интеграции с новыми технологиями позволит, например, 90-нм 3DSoC оказаться в 50 раз производительнее самых современных 7-нм SoC. В пятьдесят раз!


Согласно проекту, который будет финансироваться DARPA ещё 3,5 года, на выходе должен появиться техпроцесс производства монолитных 3D-чипов с 50 млн транзисторов, 4 Гбайт энергонезависимой памяти и 9 млн сквозных соединений на квадратный миллиметр. Скорость передачи данных между слоями должна достигать 50 Тбит в секунду с потреблением менее 2 пикоджоулей на бит. Именно в этом кроется секрет высочайшей производительности ― данные остаются максимально близко к логике с минимальными задержками при доступе.

DARPA

DARPA

Ключевым элементом 3DSoC являются тончайшие межслойные переходы (соединения). Они на несколько порядков тоньше, чем другие виды межслойных соединений. Это много тоньше, чем в случае многослойной памяти 3D NAND. Такое стало возможным благодаря переходу на соединения из углеродных нанотрубок. Продемонстрированная Шалакером кремниевая пластина с монолитными чипами доказала, что это не фантастика, а реальная технология, которую можно воспроизвести не в лаборатории, а на заводе.

До конца года SkyWater Technology обещает нарастить число слоёв в монолитных чипах (пока их два ― логика и память с изменяемым фазовым состоянием вещества). Также команда разработчиков будет работать над снижением уровня брака при производстве. Наконец, ведутся работы над инструментами проектирования монолитных чипов. Компания SkyWater планирует распространять технологию производства и инструменты проектирования на основе лицензий.

DARPA

DARPA

В заключение поясним, что транзисторы на углеродных трубках выпускаются в так называемом низкотемпературном техпроцессе, что подразумевает нагрев пластины до 450 градусов по Цельсию. Обычная полупроводниковая логика при изготовлении требует нагрева до 1000 градусов, что делает невозможными многослойные монолитные чипы ― логика выгорает ещё на стадии производства. Предложенный компанией SkyWater техпроцесс открывает путь к созданию многослойных решений без риска отправить продукцию в брак.

Мех полярных медведей подсказал идею теплоизолятора с наилучшими свойствами

На днях группа учёных из Китайского университета науки и технологии опубликовала в издании Chem статью с рассказом об одном очень перспективном исследовании. Речь идёт о создании теплоизолятора с превосходными характеристиками. Интересно то, что идею создать новый теплоизоляционный материал подсказал мех полярных медведей. Вот кто живёт в условиях экстремально низких температур и повышенной влажности! Если искать оптимальный природный теплоизолятор, то он будет у белых мишек. Лёгкий, эластичный и прочный материал для предотвращения тепловых утечек в будущем обещает найти применение в архитектуре и в космосе.

http://www.bearworld.ru

http://www.bearworld.ru

Под микроскопом волоски шерсти полярных медведей выглядят как длинные нити с цилиндрической полостью внутри. На основе подобной структуры китайские учёные создали аэрогельный блок из миллионов полых углеродных нанотрубок. Каждая углеродная трубка была подобна волоску меха полярного медведя. Внутренний диаметр нанотрубок составил 35 нм. Заключённый в трубках воздух крайне затруднил передачу тепла сквозь изолирующую структуру.

Синтетический мех под микроскопом

Синтетический мех под микроскопом

Комплексные испытания синтетического меха показали, что он может растягиваться до 30 % и без повреждений выдерживать миллион циклов сжатия/растяжения. Кубический метр такого теплоизоляционного материала будет весить всего 8 кг ― это намного легче, чем существующие теплоизоляционные аналоги. Единственная проблема, которую учёные будут решать на следующем этапе ― это организация массового производства материала. Пока синтетический мех удаётся создавать в мизерных объёмах.

Нафаршированные магнитными частицами нанотрубки могут повысить плотность записи на жёстких дисках

Углеродным нанотрубкам нашли ещё одно применение. Несколько дней назад в журнале Nature Scientific Reports вышла статья, в которой впервые рассматривается возможность использования в магнитной записи на жёстких дисках многостенных углеродных нанотрубок (Multiwall carbon nanotubes, MWCNT). Это разнообразные сложные CNT-структуры в виде «матрёшки», «свёртков» и других конструкций. Задача во всех случаях сводится к одному ― нафаршировать каждую такую сложную углеродную нанотрубку магнитными наночастицами. Каждые магнитные наночастицы в отдельности не дадут эффекта записи данных. Изменить намагниченность можно только целой трубки, но это всё равно будет плотнее, чем записать магнитный домен на обычной магнитной пластине HDD. Многократно плотнее.

Исследование магнитной записи на MWCNT провели учёные из Университета штата Аляска (Фэрбанкс) и ряда других научных учреждений США и Чешской Республики. Одним из руководителей проекта стал чешский учёный Гюнтер Клетечка (Gunther Kletetschka). Специалист отмечает, что существующие методы повышения плотности записи на магнитных дисках HDD уже не отвечают скорости роста данных. Для обуздания роста данных необходимо, чтобы плотность хранения данных на жёстких дисках каждый год росла на 40 %, а последние годы она растёт на 10–15 % в год. Запись с использованием углеродных магнитных трубок может стать ответом на вызовы информационного времени, но для этого ещё предстоит проделать колоссальную исследовательскую работу.

Суть открытия состоит в том, что углеродные нанотрубки с магнитными наночастицами внутри подвергали воздействию электромагнитного поля разной амплитуды и разной частоты. Изготовление нафаршированных наночастицами углеродных трубок, кстати, проводилось с помощью осаждения в газовой среде ― ничего нового. При подаче магнитного поля с частотой до 10 кГц ничего не происходило (сказывался поверхностный эффект проводимости углеродных нанотрубок), но с ростом частоты свыше 10 кГц и при уменьшении амплитуды поля возникал эффект намагниченности углеродной нанотрубки с магнитными наночастицами. Как считают учёные, внешнее поле приходило в соответствие с магнитным полем отдельных частиц, что позволили придать нанотрубке устойчивую намагниченность в заданном направлении.

У учёных пока нет предложений, каким образом и как создать записывающие и считывающие механизмы для записи данных на массиве углеродных нанотрубок, но они обещают хорошо поработать в этом направлении, ведь со временем данных меньше не станет.

Проводимость нанотрубок можно менять путём растяжения

Российские исследователи в составе международного научного коллектива доказали возможность изменения структурных и проводящих свойств нанотрубок за счёт их специальной деформации.

Различные типы нанотрубок / НИТУ «МИСиС»

Различные типы нанотрубок / НИТУ «МИСиС»

Нанотрубки обладают высокой электропроводностью. Это делает их перспективным материалом для использования в передовых микропроцессорах, высокоточных датчиках и других электронных устройствах.

Однако сложность заключается в том, что на этапе изготовления нанотрубок очень трудно контролировать их проводимость. В рамках новой научной работы как раз и предложен способ решения данной проблемы.

В исследованиях приняли участие специалисты лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», а также учёные из Японии, Китая и Австралии.

Идея заключается в изменении проводимости нанотрубок путём их растяжения. «Основа нанотрубки — свёрнутый слой графена — представляет собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода. Если одну из углеродных связей в нанотрубке повернуть на 90 градусов, вместо шестиугольников на этом месте сформируются пятиугольник и семиугольник, и получится так называемый дефект Стоуна-Уэйлса. Такой дефект может возникнуть в структуре при определённых условиях», — говорят специалисты.

Процесс смены структуры нанотрубки: а) растягивание с образованием первого дефекта; b) перестройка смежных углеродных связей; с) образование новых дефектов, продолжение перестройки связей / НИТУ «МИСиС»

Процесс смены структуры нанотрубки: а) растягивание с образованием первого дефекта; b) перестройка смежных углеродных связей; с) образование новых дефектов, продолжение перестройки связей / НИТУ «МИСиС»

Исследователи доказали, что формирование всё новых и новых дефектов Стоуна-Уэйлса приводит в конечном итоге к изменению проводимости нанотрубки. Это, как ожидается, позволит расшить сферу применения нанотрубок. Подробнее об исследовании можно узнать здесь

Разработан дизайн энергонезависимой памяти DDR4 на углеродных нанотрубках

В интервью сайту EE Times исполнительный директор компании Nantero сообщил, что её специалисты завершили разработку энергонезависимой версии памяти DDR4 на основе уникальной ячейки памяти NRAM. Память NRAM компания Nantero разрабатывает свыше 15 лет. В основе ячейки лежат углеродные нанотрубки. Скорость переключения ячейки NRAM приближается к скорости работы типичной оперативной памяти. Например, скорость записи составляет 5 нс. В то же время ячейка NRAM не теряет информацию в случае пропадания питания. Сочетание скорости и энергонезависимость делают память на углеродных нанотрубках интереснейшим явлением в мире полупроводников. Интересно только одно, когда же NRAM появится на рынке?

Напомним, одной из первых выпускать микроконтроллеры со встраиваемой 55-нм памятью NRAM пообещала компания Fujitsu. Это должно было произойти в 2018 году. Руководство Nantero сообщило, что данное событие отодвинуто на 2019 год. Поскольку Nantero лишь создаёт проекты и распространяет их на основе лицензирования IP-блоков, компанию нельзя винить в задержках с производством.

Что касается разработки NRAM DDR4, то она рассчитана на выпуск с использованием техпроцесса с нормами 28 нм, что, кстати, идеально подходит для одного из стратегических инвесторов Nantero — крупнейшего в Китае контрактного производителя чипов компании SMIC (Nantero финансируется через подконтрольную SMIC структуру). На днях, что интересно, Nantero собрала очередной раунд инвестиций, получив определённую сумму от 8 компаний, 5 из которых в своё время стали самыми первыми инвесторами компании. Особенно в Nantero гордятся тем, что её разработки финансируют компании из списка 10 крупнейших в мире полупроводниковых производителей.

Память NRAM прошла заводские испытания (Nantero)

Память NRAM прошла заводские испытания (Nantero)

Массовое производство памяти NRAM DDR4 обещает оказаться не дороже выпуска памяти DRAM DDR4. Этому поспособствуют два фактора. Во-первых, возможность многослойной структуры, что напоминает структуру 3D NAND. Это позволит увеличить плотность записи без увеличения площади чипа. Во-вторых, схемотехническая реализация массива NRAM DDR4 много проще, чем массива DRAM DDR4. Например, перекрёстное строение NRAM (подобно ReRAM) требует намного меньше управляющих элементов в виде переключателей шин, чем в случае памяти типа DRAM.

Наконец, в компании сообщили, что ведутся разработки одиночных чипов NRAM для таких сфер использования, как кеширующие буферы для SSD и HDD. Также в компании подтвердили намерение проникнуть в сферу автомобильной электроники (память NRAM выдерживает экстремальные температуры без потери данных) и в сферу ИИ (без этого теперь никуда). Задел на будущее обозначен тем, что структура NRAM обещает сохранить работоспособность в случае снижения масштаба техпроцесса до 5 нм. Память NAND и DRAM подобным похвастаться не могут. Для одной и другой экономически выгодный предел производства заканчивается на 15 нм или чуть меньше.

Учёные из России выяснили, от чего зависят свойства композитных материалов

Томский государственный университет (ТГУ) сообщает о том, что российским радиофизикам удалось экспериментально доказать зависимость характеристик композитных материалов от конструкции и технологии изготовления нанотрубок.

В проекте приняли участие специалисты лаборатории терагерцовых исследований и кафедры радиоэлектроники РФФ, а также партнёры по научным исследованиям из Института катализа СО РАН.

Учёные описали электрофизические свойства композитов, в которых можно получать заданные свойства, меняя состав. Результаты работы, как ожидается, будут использованы при изготовлении композитных материалов, применяющихся в качестве защитных экранов от вредных излучений. Подбирая технологию изготовления нанотрубок и их строение, можно создать композиты тоньше, легче и дешевле уже существующих.

Дело в том, что углеродные нанотрубки используются в том числе для получения радиопоглощающих покрытий, они располагаются в связующем веществе — это эпоксидная смола, оргстекло, краска и другие. Основная задача производителей — получить эффективный материал с заданными электромагнитными свойствами.

Выводы, сделанные российскими специалистами, говорят о том, что на характеристики композитного материала значительное влияние оказывает технология приготовления, которая учитывает геометрию и размеры трубок. В частности, выбрав определённую методику изготовления композита, можно создать более тонкий материал, чтобы получить заданный эффект. 

Впервые удалось измерить электромеханические свойства тончайших нанотрубок

Исследователи из Университета ИТМО, МФТИ и Университета Авейру в Португалии совместно с коллегами из компании NT-MDT Spectrum Instruments предложили новый метод микроскопии нанообъектов. Сообщается, что учёным удалось впервые измерить электромеханические свойства нанотрубок диаметром в тысячу раз меньше человеческого волоса.

Изучение свойств нанотрубок необходимо для получения материалов с заданными характеристиками. Для этого применяют атомно-силовую микроскопию, основанную на сканировании поверхности образца с помощью специального зонда. Он представляет собой иглу с кончиком, размер которого составляет всего несколько тысячных долей микрона. При перемещении по образцу регистрируется силовое взаимодействие, что позволяет сформировать трёхмерную модель поверхности и определить электромеханические свойства объекта.

Однако в случае сканирования тончайших хрупких нанотрубок, не прикреплённых к подложке, контакт зонда с образцом может приводить к повреждению последнего. Учёным удалось решить проблему, предложив модифицированный метод атомно-силовой микроскопии: его суть заключается в том, что во время сканирования зонд перемещается к следующей точке измерения над образцом, не контактируя с ним.

Предложенный метод был опробован на нанотрубках из короткого пептида дифениаланина. Исследователи одновременно измерили упругость пептидных нанотрубок и описали, как они ведут себя в электрическом поле. Более того, специалисты впервые смогли напрямую измерить пьезоэлектрический отклик, то есть сигнал, характеризующий свойство объекта изменять размеры под действием электрического поля.

Ожидается, что предложенная технология поможет в создании новых биосовместимых материалов и миниатюрных устройств, в том числе для компьютерной отрасли. Подробнее об исследовании можно узнать здесь

Углеродные нанотрубки могут оказаться сильным канцерогеном

Углеродные нанотрубки, как известно, обладают целым рядом уникальных свойств, начиная от высочайшей прочности, в разы выше прочности стали, заканчивая высокой электропроводностью. Это делает их поистине фантастическим материалом, который должен найти применение в самых различных областях, начиная от интегральных микросхем и топливных элементов, заканчивая созданием сверхпрочных нитей (в том числе изготовление троса для космического лифта) и искусственных мышц. Однако, как и многие новые для науки материалы, он таит в себе и определенные опасности, в частности, по воздействию на организм человека и животных. Последние данные, опубликованные британским агентством медицинский исследований Medical Research Council (MRC), предупреждают нас о том, что углеродные нанотрубки могут оказаться достаточно сильным канцерогеном, по свойствам близким к асбесту.

Схематическая структура углеродных нанотрубок

Схематическая структура углеродных нанотрубок

Исследования сотрудников MRC указывают на то, что биологически устойчивые волокна, имеющие большую протяженность, приводят к возникновению серьёзных болезней лёгких, например, мезотелиомы, злокачественного новообразования развившегося из ткани, выстилающей поверхность грудной, брюшной или сердечной полости. Медикам известно, что основным фактором риска возникновения мезотелиомы является контакт с асбестом. Теперь в группе риска находится и уникальный по своим свойствам материал. Дело в том, что организму достаточно тяжело избавиться от микроскопических, химически крайне нейтральных частиц, какими и являются углеродные нанотрубки.

На данный момент учёные пока с осторожностью дают какие-либо прогнозы. Углеродные нанотрубки пока только входят в нашу жизнь, и не существует ещё статистических данных в достаточном количестве, чтобы с уверенностью говорить об их канцерогенности. Однако по своим «биологическим» свойствам они очень близки к асбесту, широко известному канцерогенному материалу, от применения которого сегодня активно отказываются. Возрастающие объёмы производства углеродных нанотрубок заставляют медиков серьёзнее относиться к этой угрозе. Разумеется, речи об отказе от производства и использования новейшего материала пока не идёт, но надо с крайней осторожностью относиться к возможным последствиям длительного контакта человеческого организма с нанотрубками. По крайней мере, до тех пор, пока не будут получены надёжные данные об их безопасности.

Российский «электронный нос» использует титановые нанотрубки

Учёные из России и Германии предложили новую технологию изготовления высокочувствительного «электронного носа» — селективного газового сенсора, который может использоваться для контроля состояния окружающей среды.

В работах, как сообщается, приняли участие исследователи Сколтеха, Саратовского технического университета и Института радиоэлектроники им. В. А. Котельникова РАН, а также специалисты Карлсруйского технологического института (Германия).

Авторы работы говорят, что идеальный газовый сенсор должен быть очень чувствительным и селективным для того, чтобы точно определять даже небольшие количества тех или иных веществ в воздухе, а также понимать тип присутствующего вещества. Однако современные решения, хотя и демонстрируют хорошую чувствительность, обладают недостаточно высокими показателями селективности. Новая разработка как раз и призвана решить данную проблему.

Cхема изготовления мультисенсорного чипа на основе массива нанотрубок диоксида титана: (a-e) обозначают соответственно титановую фольгу (а), титановую фольгу с выращенным массивом нанотрубок диоксида титана (b), выделенный массив нанотрубок (с), массив нанотрубок, помещенный на чип (d), схема мультисенсорного чипа, разваренного в 50-ти пиновый керамический корпус (е) / Сколтех

Cхема изготовления мультисенсорного чипа на основе массива нанотрубок диоксида титана: (a-e) обозначают соответственно титановую фольгу (а), титановую фольгу с выращенным массивом нанотрубок диоксида титана (b), выделенный массив нанотрубок (с), массив нанотрубок, помещенный на чип (d), схему мультисенсорного чипа, разваренного в 50-ти пиновый керамический корпус (е) / Сколтех

В основе предложенной методики лежат нанотехнологии. Учёные предложили создать сенсоры на основе упорядоченных массивов нанотрубок из диоксида титана, технология получения которых основана на использовании методов так называемой мягкой химии. Для реализации селективного определения паров газов в устройстве чувствительный материал разделён на сегменты — сенсоры, каждый из которых немного отличается по свойствам от других. Совокупность сигналов такого массива сенсоров при воздействии паров газа можно рассматривать как уникальный «отпечаток», характерный для паров каждого конкретного газа. Иными словами, предложенный «электронный нос» позволяет с высокой точностью определять содержание различных веществ.

Ожидается, что в перспективе разработка найдёт применение в системах мониторинга окружающей среды, в комплексах диагностики различных заболеваний и пр. 

Российские исследователи научились измерять углеродные нанотрубки в воде

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали метод определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде.

Углеродные нанотрубки и нановолокна являются очень прочным и гибким материалом с высокой электро- и теплопроводностью, по своим свойствам не имеющим аналогов. Нанотрубки применяются для создания новых функциональных материалов в виде коллоидных растворов. Например, их использование в литий-ионных аккумуляторах значительно повышает энергоёмкость, а введение небольшого количества нанотрубок в полимер делает его проводящим.

Учёные говорят, что при приготовлении и применении коллоидных растворов нанотрубок важно распределить нанообъекты однородно в объёме растворителя и предотвратить их слипание (агломерирование). От этого качества принципиально зависят свойства получаемых наноматериалов. Поэтому в промышленной технологии важно контролировать состав коллоидного раствора и уметь быстро измерять длину и диаметр цилиндрических нанообъектов и степень их агломерирования в жидкости.

Для определения диаметра и длины нанотрубок и нановолокон, взвешенных в воде, российские исследователи предлагают использовать ультразвук. Метод УЗ-спектроскопии основан на затухании волн на взвешенных в жидкости частицах благодаря вязко-упругому взаимодействию с ними. Коэффициент затухания волн зависит как от размера частиц, так и от частоты ультразвуковой волны.

«Изменяя частоту волны, получают спектр затухания, то есть зависимость коэффициента затухания от частоты. Ранее из таких измерений для коллоидов со сферическими частицами научились определять диаметр, причём довольно точно. Преимуществом этого метода является то, что коллоид не нужно разбавлять и измерения можно проводить быстро. Однако для частиц несферической формы, в частности, для длинных цилиндров простое приближение сферой не годится, и потребовалось искать другое решение. Проблема стала особенно актуальной с развитием промышленных применений коллоидных растворов с наноцилиндрами и нанопластинами», — говорят учёные.

Авторы исследования предложили измерять спектры затухания ультразвука для двух состояний коллоида с цилиндрическими наночастицами. Одно состояние — это когда наноцилиндры направлены хаотично. Второе состояние — когда наноцилиндры направлены в одну сторону и перпендикулярны направлению тестирующих ультразвуковых волн. В последнем случае затухание ультразвука зависит только от диаметра цилиндрических объектов, что позволяет его измерить независимо. Сравнивая два спектра, можно получить соотношение длины и диаметра, а зная диаметр, несложно вычислить длину.

Более подробно об исследовании можно узнать в статье Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥