Итоги 2013 года в физике и нанотехнологиях
 Схематическое изображение магнитной ловушки для удержания атомов в квантовом компьютере (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Наноустройства
Этот год оказался богат на сообщения о разработке новых наноустройств. Причем, научные группы обращали внимание как на дальнейшее развитие уже существовавших концепций, так и на принципиально новые идеи.
Продолжилась доработка элементарных электронных компонент на основе наноструктур, в частности, были предложены новые конструкции электродов, улучшенные схемы транзисторов на основе графена, молибденита, нанотрубок и других наноструктур. Более того, ученым из Великобритании удалось выявить так называемую «бистабильность графена, что обещает в будущем создание на основе двумерных кристаллических структур так называемых «бистабильных» логических элементов (логикой работы которых при определенных условиях можно управлять, что недоступно в обычной электронике).
Можно очень долго перечислять новинки, увидевшие свет в этом году. Это и новые датчики (к примеру, сверхбыстрый и высокопроизводительный фотодетектор на основе графена, новый высокочувствительный тепловой и инфракрасный нанодатчик из кремния или магнитометр, созданный на основе углеродных нанотрубок и предназначенный для исследования свойств отдельных атомов и молекул), и ячейки памяти на основе поливинилиденфторида, и оптические процессоры (в частности, для сложения лучей с различными частотными характеристиками), и даже новые источники оптического когерентного излучения, работающие при комнатной температуре. Подобные разработки появлялись в буквальном смысле, как грибы после дождя.
Среди наиболее интересных и перспективных устройств нельзя не упомянуть самый маленький радиопередатчик с частотной модуляцией на основе графеновой наномеханической системы. Устройство было предложено американскими учеными. Несмотря на его скромные размеры, его работоспособность исследователи смогли проверить с помощью приема сигнала обычным бытовым радио. Чуть ранее на основе того же графена другой группой из США была предложена схема первого гигагерцового генератора. Ее разработчики уверены в том, что своей работой обеспечили недостающее звено в цепочке, необходимой для создания микроволновых устройств на основе графена.
Еще одна перспективная разработка – термогенератор на гибкой подложке из силикона, созданный учеными из Саудовской Аравии и в 30 раз превосходящий по своим параметрам существующие аналоги. Хотя термогенератор имеет вполне зримые размеры, ему прочат большое будущее в питании мобильных устройств и даже медицинских имплантатов.
Надо отметить, если раньше научные группы трудились над созданием какого-то одного единственного элемента, то теперь все чаще появляются работы, где исследователи занимаются клонированием одной хорошей идеи с целью создания более функциональных устройств на чипе. В частности, предлагаются методы, позволяющие создать массив элементов с определенными свойствами. Так, к примеру, в начале года появилось сообщение о том, что исследователям из США удалось разработать самый крупный массив наноантенн на кремниевом чипе.
Несколько работ, всколыхнувших общественность, было посвящено созданию массивов датчиков, близких по своей чувствительности к человеческой коже. Для наглядности в большинстве таких работ в качестве индикации реакции на давление используется свет. В первой работе чувствительным элементом по отношению к давлению являлся специальный полимер; а второй образец был построен на основе идей пьезофототроники. Хотя пока предложенные массивы датчиков и нельзя рассматривать, как полноценную замену кожи, определенно можно говорить о прорыве в этой области, который наверняка подтолкнет дальнейшие исследования и новые разработки.
Еще одну интересную разработку ученых из Германии и Великобритании нельзя в полной мере назвать устройством. Хотя, как мне кажется, она открывает новую сферу применения для наноустройств. С помощью массива наностержней золота научная группа создала самую маленькую в мире голограмму – всего 500 на 500 нм. Работа интересна не только с теоретической, но и с практической точки зрения. В будущем такие голограммы вполне могут использоваться для эффективного кодирования больших объемов информации.
Наноматериалы
Безусловно, описанные выше удивительные наноустройства не достигли бы такого уровня развития без интенсивной работы ученых над усовершенствованием свойств создаваемых наноматериалов.
В этой области можно отметить одну глобальную тенденцию: если раньше ученые работали над чистыми наноструктурами, то уже не первый год постепенно переключаются на изучение сложных гетероструктур, обладающих оптимальными характеристиками. Часть предложенных структур предназначена для решения строго определенной задачи. К примеру, гетероструктура из кремниевых наночастиц, проводящего гидрогеля и углеродных нанотрубок, созданная учеными из США, вполне может заменить стандартные аноды в литий-ионных аккумуляторах, благодаря тому, что выдерживает более 1000 циклов перезарядки сравнительно большим током. А сложные органические молекулы, разработанные исследователями из Японии, обеспечат большую эффективность эмиссии света в органических светодиодах.
Другие структуры демонстрируют перспективные свойства, благодаря которым может значительно расшириться применение нанотехнологий. Например, совместная группа из США, Германии и Японии предложила доказательства того, что трехстенные углеродные нанотрубки могут быть даже интереснее одностенных, активно изучавшихся до сих пор. А все благодаря тому, что внутренние слои структуры оказываются экранированы от внешнего воздействия.
Нельзя не отметить, что внимание многих ученых было уделено дальнейшему изучению графена, как в чистом виде, так и в сочетании с другими материалами и наноструктурами. Среди опубликованных за год работ хочется отметить различные попытки варьировать электронные и магнитные свойства графена, в частности, за счет объединения с нитридом бора, нитрофениловыми группами, атомами бора и т.п. Надо отметить, что часть перечисленных работ подтвердила сделанные ранее теоретические предсказания. Все эти сложные гетероструктуры в перспективе помогут разрабатывать новые электронные и оптоэлектронные устройства, в том числе, со свойствами, поддающимися гибкой настройке.
Интересно, что именно в этом году сразу несколько научных групп придали огласке свои работы, в которых они обратили внимание на взаимное движение одних наноструктур относительно других. Трение на микро- и наноуровне изучалось применительно к движению двух нанотрубок (одна в другой) и нанокристаллам внутри нанотрубок. Кроме того, громко заявила о себе работа над общей теорией трения для подобных масштабов.
Естественно, одновременно с наноматериалами активно развиваются и техники их производства. Но если раньше большая часть используемых в экспериментах структур производилась методом «от большого к малому» (когда из крупного объекта каким-то образом получалась одна единственная наноструктура), то теперь все активнее задействуются противоположные методы, например, самосборка структур, которая, к слову, гораздо лучше масштабируется на коммерческое производство. Параллельно разрабатываются способы более чистого производства (например, графена), позволяющего получить материалы с совершенными характеристиками для новых приложений.
Плазмоника
Говоря о наноматериалах и наноустройствах нельзя не отметить активное развитие такого направления, как плазмоника. Пока, правда, данное направление несколько дальше от использования в быту, нежели упомянутые выше простейшие устройства на основе наноструктур. На данном этапе основное внимание ученых сосредоточено на изучении транспорта плазмонов в различных структурах (к примеру, графене или металлических нанопроводах) и поиске оптимальных структур и методик производства для создания новых устройств.
Квантовые вычисления
Этот год не принес нам вестей о создании полномасштабного действующего квантового компьютера. Но благодаря ряду разработок, ученые оказались несколько ближе к его практической реализации. В этой сфере хочется вспомнить четыре работы: две из них касаются самой сути работы квантового компьютера, а еще две – так скажем, обеспечением его деятельности.
Во-первых, исследователям из США удалось создать азот-вакансии в наноалмазах, способные длительное время сохранять стабильный спин электронов, т.е. хранить квантовую информацию дольше 200 мкс (надо отметить, что работа открывает перспективы не только для квантового компьютера, но и в принципе для практического применения азот-вакансий). С другой стороны, научная группа из Австрии и Германии предложила способ удержания массива атомов, необходимого для работы квантового компьютера (уже по другой принципиальной схеме), с помощью магнитного поля, построенного по определенному шаблону. Ни первая, ни вторая разработка, к сожалению, пока не были опробованы на квантовых вычислениях. Но работы в этом направлении ведутся.
Другие научные группы занимались развитием «вспомогательных» областей. Так ученые из США создали схему для записи и извлечения информации из квантового механического осциллятора, а их коллеги из Китая, Великобритании и Германии получили источник одного единственного фотона на основе квантовой точки.
Альтернативные источники энергии
Помимо темы нанотехнологий, публикации на нашем портале часто поднимали тематику развития альтернативных источников энергии. Условно это развитие можно разделить на три направления: усовершенствование электрохимических ячеек, позволяющих получать из воды водород, дальнейшее развитие солнечных батарей, а также разработка устройств, позволяющих эффективно сохранять полученную из альтернативных источников энергию.
В сфере разработки электрохимических ячеек для расщепления воды (производства водорода) наметилась тенденция постоянного совершенствования существующей технологии. За счет применения альтернативных фотоанодов (к примеру, из кремния, покрытого тонким слоем никеля или наноструктурированного оксида железа) и более эффективных катализаторов (из платиново-никилевых нанокристаллов или атомарно-тонких листов тунгстенита – соединения вольфрама с серой) ученым удалось значительно повысить не только эффективность производства водорода, но и продлить срок службы ячеек. Это необходимо для трансляции научных разработок на коммерческое массовое производство. Что интересно, в начале года была опубликована работа ученых из США, предлагавших получать водород при помощи простой реакции воды с наночастицами кремния. К сожалению, пока ученые говорили лишь о лабораторных исследованиях. Однако если будет найден способ дешево транслировать эту идею на коммерческие масштабы, это можно будет смело назвать прорывом.
В сегменте солнечных батарей ситуация развивается схожим образом. Главной проблемой до сих пор остается поиск материала, который обеспечил бы эффективное поглощение света и образование пар электро-дырка, а также технологии, которая позволила бы снизить рекомбинацию образованных носителей заряда. Как показывают опубликованные работы, нанотехнологии позволяют частично решать обе проблемы. К примеру, ученые из Великобритании, Португалии, Кореи и Германии предложили производить батареи из полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов, их коллеги из Швеции и Германии с той же целью применили нанопровода фосфида индия, а группа из США использовала квантовые точки из арсенида галлия (надо отметить, что этим список предложений не ограничивался). Во всех случаях применяемые гетероструктуры позволяют повысить эффективность преобразования энергии. Увы, как и в случае с электрохимическими ячейками, технологии пока не перешли на коммерческий уровень.
Для альтернативных источников (солнца, ветра и т.п.) актуальны вопросы сохранения запаса энергии на те периоды, когда она не может быть произведена. Таким образом, отдельное направление альтернативной энергетики – разработка хранилищ для энергии. К сожалению, за прошедший год на нашем ресурсе было опубликовано всего несколько работ, посвященных этой интересной теме. В одной из них совместная группа из США и Китая предлагала использовать псевдоконденсаторы из фосфата ванадила, в другой их коллеги из США делали ставку на суперконденсаторы на основе графена и углеродных нанотрубок. А в середине года появились даже весьма необычные расчеты исследователей из Германии, доказывающие эффективность хранения энергии в виде тепла.
Возможно, в будущем году мы еще услышим об этих идеях.
Какие из описанных научных идей найдут практическое применение, покажет время. Пусть новый 2014 год принесет нам больше интересных открытий!
Также по теме:
- Физика и нанотехнологии: итоги 2012 года
- Итоги 2011 года в области физики
- Обзор 2012 года по версии Nature
- Медицина и биология: итоги 2012 года
- Успехи биологов и медиков в 2011 году