Итоги 2011 года в области физики
 (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Одним из основных направлений развития науки остаются нанотехнологии
2011 год был богат на открытия различных свойств производных графена, представляющего собой двумерную гексагональную структуру из атомов углерода. Если ранее активнее всего исследовался «чистый» материал с удивительными свойствами, то теперь внимание ученых привлекают приграничные эффекты в листах графена (см. Наблюдение атомов на границе листа графена и Начались исследования приграничных состояний в графене), электрохимические свойства и дефекты материала (см. Анализ листов графена и Микроскопические техники позволяют выявить дефекты графена), многолистовые модификации графена (см. Физики поворачивают графен), подложки для удивительного материала (см. Алмазо-подобные кристаллы углерода дают графену новый тип подложки) и связи между углеродными наноструктурами (см. Одиночные атомы дают более жесткую связь, чем группа).
Но углерод – не единственный структурный материал, дарующий успехи ученым на поприще нанотехнологий. В начале года группа из Швейцарии создала первый в мире функционирующий транзистор на основе мономолекулярного слоя молибдена (см. Создан первый рабочий транзистор на мономолекулярном слое молибденита). По мнению самих разработчиков, их детище может не только заменить кремний в некоторых приложениях, но и конкурировать с упомянутым выше графеном. Как доказали американские ученые, аналогичную конкуренцию могут составить графену наноструктуры из нитрида бора (см. Наноструктуры из нитрида бора столь же хороши, как их аналоги из углерода).
Параллельно велась активная разработка миниатюрных устройств, ознаменовавшаяся в этом году достижением серьезных успехов. Группа ученых из Великобритании предложила конструкцию молекулярного робота, который может передвигаться вдоль заранее обозначенного следа любой формы (см. Молекулярный робот может двигаться). Это был существенный технологический прорыв, т.к. ранее молекулярные машины могли перемещаться только вдоль некой прямой. Возможно, в будущем «потомки» подобных систем будут спасать людям жизни, например, доставляя лекарства к пораженным областям.
Чуть позже ученые из Нидерландов и Швейцарии отрапортовали о создании первого наноавтомобиля размером порядка 1 нм. В качестве топлива транспортное средство использует поток электронов, исходящий от острия сканирующего туннельного микроскопа (см. Ученые из Нидерландов и Швейцарии создали четырехколесный нано-автомобиль). Одновременно с этим нанообъекты становятся базой для создания новых более эффективных сенсоров и датчиков.
Крупным фундаментальным открытием этого года можно назвать предложенную российскими учеными схему создания оптического генератора на основе возбуждений атомного ядра (а не электронов, как в традиционных лазерах). Практическая реализация подобного лазера повысит точность физических измерений в самых разнообразных областях (см. Лазер на атомном ядре может быть не только математической абстракцией).
Развитие научных инструментов
Новые работы в области нанотехнологий потребовали усовершенствования существующих исследовательских методов. В 2011 году различные научные группы предлагали свои способы повышения точности и разрешающей способности существующих методик исследования, в том числе, просвечивающей (transmission electron microscopy, TEM, см. Исследовательская группа из США предложила методику повышения разрешения электронной микроскопии) и «классической» электронной микроскопии (см. Надо ли повышать точность электронного микроскопа, когда у нас есть STEM?). Параллельно разрабатывались принципиально новые способы отображения, позволяющие визуализировать меньшие объекты с большей разрешающей способностью (см. Единичные молекулы позволяют наблюдать электромагнитные поля и Сверхчувствительная абсорбционная спектроскопия – это не научная фантастика).
Кроме того, были предложены новые абстракции для объяснения обнаруженных в наномасштабе эффектов (см. Новая квазичастица обнаружена в углеродных нанотрубках, Предложена новая квазичастица – вринклон и Можно ли наблюдать воочию гибрид квантового колебания и электрона?).
Практическая наука
Простому обывателю достаточно сложно представить возможное практическое применение результатов глубоких научных исследований. Однако этот год подарил нам немного информации о том, каким может быть наше ближайшее будущее.
Ученые из США предложили способ создания пряжи из электропроводящих нанотрубок (см. Углеродные нанотрубки позволяют создавать самую настоящую «пряжу), которая в будущем может стать основой для разработки «интеллектуальной» одежды, в том числе со встроенными устройствами аккумулирования энергии. Параллельно группа их коллег показала, что полоски графена и связки нанотрубок могли бы исполнять роль соединительных проводов в электрических схемах (см. Углеродные нанотрубки могут послужить следующим поколением соединительных проводов).
Группа ученых из Кореи и Великобритании под управлением Samsung Electronics продемонстрировала следующий этап развития технологий отображения, предложив на суд общественности первый полноцветный дисплей большой площади, принцип действия которого основан на использовании красных, синих и зеленых квантовых точек (см. Квантовые точки позволят создавать цветные дисплеи большой площади). Технология потенциально позволит запустить в производство дисплеи, сочетающие в себе одновременно и широкий диапазон цветов, и чрезвычайно малый размер пикселя.
В течение года было опубликовано несколько работ о различных новых типах запоминающих устройств, развитии методик производства и оптимизации существующих электронных устройств на базе кремния. Например, ученые из Германии предложили свою методику создания единой структуры, включающей в себя логические элементы и элементы памяти. Она позволит в будущем создавать более энергоэффективные и при этом небольшие электронные устройства (см. Память и логические элементы «в одном лице). Американцы работали над миниатюрными наномагнитными запоминающими устройствами малой мощности (см. Ученые разработали наномагнитные запоминающие устройства малой мощности). Продолжилось развитие так называемой Racetrack Memory, использующей магнитные нанопровода для хранения данных с высокой плотностью (см. Ученые измерили скорость работы нового типа памяти), кроме того, исследователями из США была заново пересмотрена возможность использования памяти на основе фазового перехода в пользовательских устройствах (см. Память на основе фазового перехода, возможно, появится в ноутбуках и сотовых телефонах).
Ученые из Японии разработали новый способ производства транзисторов с весьма интересными характеристиками из тонких пленок одного единственного кристалла (см. Методика «струйной печати» позволяет производить транзисторы с хорошими характеристиками). Методика основана на использовании идей, применяющихся при струйной, печати и позволяет работать при комнатной температуре с электронными компонентами большой площади (включая гибкие компоненты). Интересно, что в этом году вызвали резонанс научного сообщества еще две «печатные» методики. Первая - позволяет формировать наноструктуры по принципу станка Гуттенберга (см. Печатный станок Гуттенберга воссоздан в наномасштабе), а вторая работает со специальными чернилами для создания тонкопленочных транзисторов (см. Напечатанные устройства на базе графена).
Растет интерес к использованию в электронике органических компонентов. Фундаментальные исследования ученых из США показали, каким образом заряд путешествует по структурам, включающим в себя металлические и органические элементы (см. Ученые приблизились к пониманию транспорта заряда в молекулярных соединениях). Также группой из Германии был предложен «электрический клей», необходимый для использования этих компонент (см. Изобретен «электрический клей», облегчающий соединение электродов с полимерами).
Альтернативные источники энергии
С повышением стоимости нефти и постепенной растратой ее запасов, продолжается развитие технологий преобразования в электричество альтернативной энергии, а также повышения эффективности расходования энергии, получаемой из жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Современные наноматериалы являются отличной базой для создания более эффективных солнечных батарей. Это показали исследования ученых из США и Великобритании, предложивших использовать для поглощения солнечного света массивы нанопроводов, нанотрубки и графен (см. Нанопровода позволяют cоздавать новые солнечно-водородные материалы, Углеродные нанотрубки помогут сохранять солнечную энергию и Графен позволит сделать практически совершенные солнечные ячейки), работы совместной группы из Нидерландов, Израиля и Великобритании, направленные на повышение эффективности существующих технологий (см. Найден способ повысить эффективность солнечных ячеек), а также исследования группы, сфокусировавшей свое внимание на наноантеннах (см. Наноантенна преобразует свет в заряд). Учеными из США был разработан новый материал, который, благодаря присутствующим наночастицам, на 60% эффективнее преобразует тепловую энергию в электрическую (см. Наночастицы позволят эффективно превращать тепло в электричество). К слову, материал, по данным ученых, сохраняет свои свойства до 700 градусов по шкале Цельсия.
Квантовые вычисления
В этом году велись активные работы по развитию идеи квантового компьютера, хотя пока эти исследования сложно отнести к практической области. Квантовая логика была разработана достаточно давно, но ученые все еще сталкиваются с непреодолимыми препятствиями ее практического воплощения. Существующие компьютеры опираются на электрические и магнитные явления. Ранее ученые пришли к пониманию того, что квантовый компьютер должен базироваться на спине и спиновых взаимодействиях. Поэтому уже несколько лет идет активное исследование различных квантовых систем на предмет их использования в качестве базиса для квантовых вычислений. Поскольку не существует единой системы, которая одновременно выполняла бы функции памяти, центрального процессора и коммуникаций между ними, для этих целей подыскиваются различные квантовые объекты.
2011 год был богат на новые предложения. К примеру, ученые из Германии использовали предложенную еще в 1990-х годах идею построения квантового компьютера на базе кристалла кремния с примесями атомов фосфора и модернизировала ее за счет добавления к системе локального механического напряжения (см. Спиновые кубиты подвержены действию механического напряжения). Подобный шаг позволил значительно повысить теоретическую скорость работы квантового компьютера такой конструкции, хотя опытный образец в этом году так и не был предложен. Это значит, что благодаря исследованиям, проведенным в 2011-м, мы стали на один шаг ближе к созданию новых вычислительных устройств.
Подводя итоги года, нельзя не вспомнить об одном печальном юбилее – 25 лет назад произошла трагедия на ЧАЭС. Хотя научное сообщество не несет ответственности за это событие (специальная комиссия заключила, что причиной аварии стало нарушение правил эксплуатации АЭС), оно оказало огромное влияние на энергетическую отрасль. В преддверии Нового года остается пожелать, чтобы поводов для подобных воспоминаний было как можно меньше.
Также по теме:
- Наиболее насущные и интересные исследования в области медицины и биологии, проведённые в 2010 году
- Новый год, новая наука
Источники: