Физика и нанотехнологии: итоги 2012 года
 (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Прошедший год не принес нам фундаментальных открытий, переворачивающих науку, но дал возможность нанотехнологиям еще глубже войти в нашу жизнь. Так что с них и начнем.
Наноустройства
Прошедший 2012 год показал, что от изучения свойств различных наноструктур и их сочетаний, ученые постепенно переходят к созданию наноустройств, в частности, транзисторов, датчиков и других аналитических инструментов. Во многом этому способствовало развитие производственных техник, позволяющих оперировать в буквальном смысле отдельными атомами. Но остановимся на предложенных структурах подробнее.
Множество публикаций было посвящено вопросу повышения эффективности наноустройств или нанокапсул для доставки лекарственных препаратов прямо в пораженные клетки организма. Различные научные группы в поисках оптимального результата варьировали форму и покрытие капсул.
За этот год значительно пополнилась «коллекция» миниатюрных детекторов. В начале года немецкими учеными была предложена конструкция так называемого «наноуха - датчика, предназначенного для измерения акустических колебаний на микроскопических масштабах длины. Ученые смогли добиться чувствительности, в 6 раз превышающей чувствительность человеческого уха. Кроме акустических колебаний, наноустройства теперь с непревзойденной точностью могут фиксировать и световое излучение. Созданный испанскими учеными на основе графена и квантовых точек фотодетектор, по мнению научного сообщества, может считаться лучшим в своем классе. Нанотрубки стали основой для новых датчиков массы, предложенных испанской научной группой, а наноалмазы – детекторов магнитного поля. Также американские ученые нашли способ применять углеродные нанотрубки (а точнее, транзисторы на их основе) в качестве инструмента для мониторинга белковых процессов. А листы графена в комплексе с низкочастотным электромагнитным шумом, благодаря еще одной группе из США, стали основой новых газоанализаторов.
Многие исследовательские группы обеспечили продвижение наноэлектроники, предложив новые более эффективные конструкции компонент наноэлектронных схем. В частности, группа из Великобритании предложила новую конструкцию транзистора на основе графена, эффективность работы которого значительно повышена за счет наличия дополнительного слоя нитрида бора или дисульфида молибдена. Их коллеги из США создали графеновые транзисторы с максимальной на сегодняшний день плотностью тока. А ученые из Кореи нашли способ повысить эффективность работы органических светодиодов на основе графена. Они смогли повысить работу выхода графена за счет модификации его поверхности с помощью водно-дисперсных проводящих полимерных композиций. Группа из США предложила схему наноустройства на основе кремния (интегрированного прямо в кремниевую подложку), обеспечивающего генерацию лазерного импульса при комнатной температуре. Еще одна группа американских ученых предложила способ формирования сложных систем проводов в микроустройствах, благодаря самоорганизующимся полимерам.
Естественно, список предложенных устройств не ограничивается приведенным выше перечнем. В их перечень вошли и искусственные мышцы, и металинзы для оптоэлектроники, и молекулярные двигатели, и многое другое. Более того, некоторые из разработанных методик готовы к коммерческому масштабированию. Иными словами, графен и прочие наноструктуры активно входят в нашу жизнь, быстро преодолевая барьер между «наукой» и «коммерческим производством» и давая возможность теперь уже инженерам воспользоваться своими преимуществами, в частности, особенностями гибкой прозрачной электроники. Их применение уже сегодня настолько широко, что сложно уже представить себе устройство, которое не может быть таким образом «обновлено». В первой половине года появилось сообщение даже о разработке нового типа аккумулятора на основе графена, получающего энергию из окружающего тепла. Правда, теория, выдвинутая учеными из Гонконга, требует дополнительного подтверждения. Кстати, американцы предложили более простую идею элементов питания, работающих за счет прямого преобразования механической энергии в химическую. Для применения в быту их идея требует лишь незначительных улучшений.
Наноматериалы
Множество работ в сфере наноустройств не означает, что при этом ученые оставили попытки улучшить характеристики самих материалов. В этом году их внимание было сосредоточено на органических полупроводниках, однослойном и многослойном графене, а также его модификациях (графанах). В частности, для улучшения свойств органических полупроводников американские ученые предложили использовать обычное механическое напряжение, которое, как показали эксперименты, повышает подвижность свободных носителей заряда в кристаллах. Кстати, чуть позже аналогичную идею ученые из США воплотили и в графене.
Совместные исследования ученых из США и Китая показали, что теплопроводность графена существенно зависит от изотопного состава двумерного кристалла. Создав на реальном эксперименте фрагмент кристалла графена, состоящего из «чистого» углерода-12, ученые, фактически, нашли идеальный охладитель для работы с наноэлектронными устройствами в будущем. Еще одна группа из США продемонстрировала, что трехслойный графен, в зависимости от типа упаковки атомов, может заменить однослойный аналог материала, не имеющий запрещенной зоны, в электронных приложениях. Кроме того, интерес научной группы из Германии вызвали различные структурные модификации графена (графаны, которые, согласно компьютерному моделированию, имеют чуть ли не большие перспективы в практических приложениях, чем сам графен.
Естественно, вместе с изучением свойств развивались и методики производства этих материалов. Параллельно активно движется вперед такое направление, как создание метаматериалов – искусственных структур с определенными характеристиками. В этой сфере хочется вспомнить четыре работы, опубликованные в уходящем году:
• Исследовательская группа из Великобритании предложила использовать плазмонные структуры для создания удивительно «цепкого» метаматериала, который при внешнем освещении способен закрепляться на любой поверхности только за счет межмолекулярных сил взаимодействия.
• Совместная группа из Испании и Англии предположила, что на основе графена можно создать поверхность, идеально поглощающую свет, если фрагменты графена имеют положительный заряд и образуют периодическую структуру.
• Группа из США предложила конструкцию композита, состоящего из графена и многослойного графена, имеющую теплопроводность, превышающую все существующие теплопроводящие смеси.
• А еще одна группа из США продемонстрировала, как можно создать ультратонкую графитовую пену, применимую в качестве катода в литий-ионных аккумуляторах.
Квантовый компьютер
Говоря о наноструктурах, сегодня уже нельзя обойти такую тему, как потенциальное создание квантового компьютера. Хотя в этом году множество исследований были направлены именно в эту сторону, пока мы еще слишком далеко от запуска первого работающего устройства.
Однако достижения в этой области воистину огромны. К примеру, венгерские ученые показали, что спин электрона может детектироваться при помощи колебаний закрепленной с двух концов нанотрубки. А совместная группа из Канады и Австрии продемонстрировала, что техники спаривания фотонов могут быть адаптированы для коммерческих квантово-оптических устройств. Кроме того, научной группой из Австралии был предложен способ передачи информации между квантовым и обычным компьютером.
Кстати, Нобелевская премия по физике 2012 года была вручена Сержу Арошу и Дэвиду Джей Вайнленду именно за разработку методик манипулирования квантовыми системами, приближающих нас к практической реализации квантовых вычислений.
Альтернативные источники энергии
Естественно, с развитием техник нанопроизводства, не останавливается работа и над инструментами преобразования энергии из альтернативных источников. За этот год было предложено несколько вполне эффективных идей по улучшению характеристик солнечных батарей. Так, например, американские ученые предложили использовать наносферы из кремния для повышения доли поглощенного света, их коллеги с той же целью применили диселенид молибдена. Еще одна международная группа создала новую слоистую структуру из сплава кадмия-теллура-селена с разной концентрацией селена и теллура в слоях. По мнению ученых, применение такой схемы позволит повысить КПД преобразования до 7%. Исследователи из Испании добились чуть меньших результатов, применив для этой же задачи коллоидные нанокристаллы. Полученная ими на экспериментах эффективность преобразования достигала 4,8%.
Ученые из США пошли несколько по иному пути, предложив не новый материал, а определенную структуру поверхности солнечных батарей. Их предложение по повышению эффективности базируется на использовании наноантенн. Другие гетероструктуры (представляющие собой нанокристаллы с различными размерами и химией поверхности) предложили использовать ученые из Гонконга и Израиля.
Аналитические техники
Не отстают от развития материалов и техник их производства и аналитические методики. Выше мы уже отмечали, что американские ученые применили наноантенны для улучшения характеристик солнечных батарей. Аналогичные идеи были воплощены совместной группой из Германии и США для улучшения сканирующих техник исследования поверхности с помощью фототока. Ученым удалось добиться разрешения в 30 нм.
Этот год продвинул научный мир вперед в работе с «нетрадиционными» лазерами. Исследователи из Франции нашли способ применять для анализа поверхности на наноуровне так называемый суперконтинуум (когерентное электромагнитное излучение широкой спектральной полосы). Еще одна группа французов отличилась тем, что предложила методику контроля так называемого «случайного» лазера – некогерентного случайного источника света. Их работа дала надежду на разработку в будущем настраиваемых лазеров, работающих, в том числе, и на длинах волн, не доступных обычным приборам.
Новое слово в старых идеях
Прошедший год был богат на сообщения об улучшении классических методик, моделей и экспериментов. Остановимся подробнее на нескольких наиболее интересных, на мой взгляд, работах. Немецкие исследователи предложили добавить в простейшую систему для разделения частиц с различной энтропией, состоящую из простой трубки переменного диаметра (имеющую пилообразный профиль), внешнее электрическое поле. Это нововведение, согласно результатам компьютерного моделирования, позволит эффективно разделять частицы с разной энтропией, что особенно важно в рамках биохимических экспериментов, а также работ, связанных с исследованием молекул ДНК.
Теоретические эксперименты ученых из Швеции показали, что хиральность действительно может быть получена из симметричных фундаментальных взаимодействий. Таким образом, исследователи разрешили старую научную загадку, актуальную как для физических, так и для биологических систем.
Бельгийские ученые предложили свою методику улучшения «классического» эксперимента Милликена, когда-то способствовавшего распространению идеи существования элементарного заряда. Теперь подобные методики приобрели особую важность в связи с развитием коммерческого производства, к примеру, электронных чернил.
Исследователи из США опубликовали решение так называемой «загадки силы Казимира (задача о расчете силы Казимира для двух реальных металлических объектов), доказав, что в реальных магнитах поведение этой силы описывается теорией Друде.
Еще одним продвижением в традиционной области науки можно назвать создание исследователями из США первой ультратонкой плоской линзы, не имеющей оптических аберраций.
Кроме того, развитие технологии привело научный мир к новым возможностям в сфере борьбы с космическим мусором, находящимся на околоземной орбите. Работа ученых из США показала, что теперь с проблемой позволят справиться телескопы и лазеры, вполне способные замедлять отдельные фрагменты твердых тел для их падения в атмосферу. Ранее для решения такой задачи у оборудования просто не хватало ресурсов. Будет эта методика применена на практике или нет, покажет время. Возможно, в ближайшем будущем новые материалы и техники производства дадут возможность применить более энергетически-эффективные схемы.
К сожалению, этот год имеет и печальный итог. В середине августа скончался советский физик и известный популяризатор науки, С.П. Капица. Ученый с мировым именем вдохновил множество людей на научные «подвиги». Остается надеяться, что вложенные им в просветительскую деятельность силы были не напрасны.
Также по теме:
- Итоги 2011 года в области физики
- Наиболее насущные и интересные исследования в области медицины и биологии, проведённые в 2010 году
- Десять основных события в области климата за 2009 год
- Новый год, новая наука
- Десять открытий 2009 года в области астрономии по версии National Geographic
Источники: