Физика: итоги 2014 года
 (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Изучение окружающего мира
Вполне успешно продолжается изучение окружающих нас макроявлений. Несмотря на то, что основные «громкие» открытия сейчас приносят совсем другие отрасли, научные группы по всему миру продолжают работать, чтобы сделать мир немного понятнее. Так ученые из Китая впервые получили спектр естественной шаровой молнии (стоит отметить, что данные были собраны случайно, во время экспериментов по изучению обычных молний). Выяснилось, что шарообразная структура полностью состоит из элементов почвы, что соответствует одной из популярных теорий возникновения шаровых молний.
После многолетней обработки данных шторма 2002 года выяснилось, что у берегов Северной Каролины (США) наблюдался новый тип турбулентности, теоретически предложенный несколько десятилетий назад. Находка убедительно доказала, что поток жидкости может быть смоделирован, как набор отдельных волновых солитонов. Само по себе это открытие вряд ли будет использовано на практике, но оно определенно ляжет в основу разработки более точных моделей турбулентности для расчета аэро- и гидродинамических задач. А уж переоценить важность подобных расчетов в инженерном деле практически невозможно.
Еще одна научная группа, на этот раз из Франции, рассматривала жидкости на микроуровне и обнаружила, что при ударе в плоскую поверхность так называемые «вязкоупругие» жидкости могут образовывать квадратные и треугольные структуры (вместо волны, которую мы ожидаем по аналогии с обычными жидкостями). Пока что, правда, интересное открытие остается лишь первым шагом к глубокому пониманию явления.
Искусственные материалы
Большое внимание в этом году было уделено искусственным материалам и структурам, позволяющим «включать» необычные физические свойства.
Исследователи из Китая опубликовали работу, согласно которой им удалось синтезировать вещество, обладающее большей твердостью, нежели алмаз. Им стал так называемый «наноструктурированный» алмаз, построенный из двойных доменов. Материал отличается также большей стабильностью при высоких температурах и может заменить алмаз в различных научных и промышленных практических задачах. Параллельно группа из Нидерландов создала макроструктуру из силикона, обладающую контролируемой упругостью (контролируется она при помощи сжатия в перпендикулярном направлении). Интересно, что при определенных условиях упругость этого «умного материала» меняется скачкообразно. Пока практических применений у находки нет, но, думаю, в скором времени они появятся.
Также большой интерес привлекали попытки превратить неэластичные материалы в эластичные. Здесь, правда, своеобразная «пальма первенства» по количеству интересных открытий принадлежит ученым из Саудовской Аравии. Сначала они предложили структуру эластичного кремния, а затем – конструкцию эластичных и не дорогих нагревательных элементов для облегчения мышечной боли. Примечательно, что им удалось задействовать медь в устройстве, которое может растягиваться до 800%.
Нанотехнологии
Существенно продвинулись ученые и в сфере нанотехнологий. Заметная обнадеживающая тенденция: если раньше в публикуемых работах в основном описывался процесс производства каких-либо электронных компонент (к примеру, транзисторов) на основе наноматериалов, то теперь исследования в общей массе посвящены улучшениям ранее кем-то разработанного дизайна.
Особенно много небольших новшеств в органической тонкопленочной электронике, на которую возлагаются большие надежды с точки зрения разработки биосовместимых и гибких устройств. Ученые активно работали над повышением скорости работы устройств и снижением порога напряжения, необходимого для срабатывания транзистора (для создания более энергоэффективных компонент). Группа из Швеции и Великобритании показала, что двухслойный графен, помещенный на подложку из карбида кремния, может проявлять себя и как проводник, и как изолятор, что открывает новые возможности для развития радиочастотных транзисторов на основе этого материала. Есть даже идеи задействовать предложенные структуры в качестве метрологического стандарта сопротивления. Надо отметить, что идеи использовать графен в качестве диэлектрической прослойки высказывались и в других работах.
Вообще графену уже ни один год посвящено множество страниц в научных журналах. В этом году сразу несколько групп обратили внимание на возможность его легирования различными добавками, позволяющими «настраивать» электронные свойства. Так, например, команда из Бразилии работала с азотом. Кстати, высказывались предложения и о легировании других наноматериалов.
Вспоминаются и нововведения в области неорганической электроники. Исследователи из США придумали способ защитить от деградации на воздухе полупроводниковый «черный фосфор» (фосфорен), отличающийся высокой подвижностью зарядов. Открытие может сулить разработку электронных и оптоэлектронных устройств нового поколения. Их коллеги из другой американской лаборатории построили первый суперконденсатор, используя в качестве основы тонкие пленки трехмерного нанопористого гидроксида никеля. Устройство отличается очень высокой плотностью запасенной энергии, при этом выдерживая большое количество циклов перезарядки без ухудшения свойств. Как и в случае с графеном, ученые искали возможный «дуализм» свойств у неорганических двумерных материалов. Было выявлено, что дисульфид молибдена может проявлять как полупроводниковые, так и металлические свойства (при высоких давлениях).
От большой науки к реальному миру: применение нанотехнологий
В этом году родилось несколько новых применений для хорошо знакомых наноструктур. Так ученые из Великобритании предложили создавать на основе дисульфида молибдена миниатюрные лазеры. А графен благодаря другой группе из этой страны стал основой нового типа неагрессивного антикоррозийного покрытия для широкого спектра применений. Пока его стоимость, конечно, крайне высока, но оно уже сейчас может использоваться в таких специфических областях, как защита от коррозии топливных баков ракетоносителей (обычно их не красят, экономя вес). Надо отметить, что другая научная группа из Великобритании, США и Молдовы использовала покрытие из графена иначе – с его помощью они смогли повысить теплопроводность пластика почти в 600 раз, что позволяет существенно расширить диапазон сфер применения пластмасс (ранее похожие результаты были получены для покрытия графена на меди). Вообще с годами для графена появляется все больше и больше возможных сфер использования. Это и умный текстиль, и «аэрогель», который может быть использован в катализаторах, устройствах для хранения энергии и опреснения воды, и разнообразные фильтры, и многое другое.
Предложен ряд новых методик по использованию уже достигнутых нанотехнологиями результатов в медицине и биологии. К примеру, ученые из США показали, что графеновые электроды можно с успехом использовать для детального изучения работы мозга. А исследователи из Кореи обратились к популярной в последнее время теме создания искусственной кожи и добились заметных успехов, предложив покрытие, содержащее кремниевые наноленты и не только способное реагировать на напряжение, давление, температуру или влажность, но и позволяющее «подключать» свои сенсоры к биологическим тканям без их повреждения. Вообще разработка «искусственной кожи» не всегда приводит к структурам, напоминающим человеческую кожу. Появляются и довольно экзотические идеи, например как у исследователей из США, предложивших снабдить покрытие «электронными усами» из нанотрубок для выявления прикосновений. Параллельно с поиском идеальной «умной» кожи идут работы и над воплощением искусственных мышц. Их, как считает международная команда исследователей, можно заменить особым образом скрученными полимерными волокнами.
Стоит отметить, что в медицине находят свое применение не только сложные компоненты, построенные на основе наноструктур, но и наноструктуры сами по себе. Так, например, покрытие из нанотрубок нашло применение в укреплении стенок сосудов. А магнитная наноэмульсия дает возможность фиксировать уровень глюкозы (в том числе, мгновенно определять его изменения) в крови пациента. В отличие от обычных глюкометров это устройство никак не связано с ферментом глюкооксидазой. При контакте с глюкозой эмульсия просто меняет цвет.
Свое продолжение также получила идея использования наночастиц (и других наноструктур) в качестве контейнеров для переноса лекарств внутри организма. На эту тему было опубликовано сразу несколько работ, в которых исследователи пытались найти более удачные частицы, менее всего вредящие пациенту.
Несколько опубликованных в этом году работ были весьма многообещающими с точки зрения масштабирования производства наноструктур для коммерческих нужд. Это значит, что не за горами широкое применение данных разработок в быту. Например, ученые из Италии предложили методику промышленного производства графена в растворе, основанную на самом простом красителе для полимеров. А их земляки даже открыли масштабное производство графена под руководством Directa Plus. Завод по планам должен производить четыре вида графенового порошка, отличающихся характеристиками отдельных гранул и степенью очистки. Предполагается, что объемы производства могут достичь 30 тонн в год. Также примерно в середине года после слияния OCSiAl и Zyvex была создана крупнейшая на текущий момент мировая нанотехнологическая корпорация, заинтересованная в производстве и практическом применении углеродных нанотрубок.
На фоне известий об открывающихся заводах сообщения о новых методиках производства, конечно, выглядят не столь впечатляюще. Но, надо отметить, что в этом году внимание тех, кто ищет подходящие техники, уже переключилось с «чистых» наноструктур (графенового порошка, нанотрубок и т.п.) на их сложные вариации. В частности, совместной группой исследователей из США и Китая была разработана новая техника производства слоистых полупроводниковых гетероструктур, в которой необходимые вещества осаждаются из парообразного состояния. По словам участников рабочей группы, их техника позволит выращивать практически любые гетероструктуры, и в будущем они надеются ее усовершенствовать, дабы иметь возможность работать с мультигетероструктурами. А группа из США разработала CMOS-совместимую технологию для интеграции различных двумерных наноматериалов в одно электронное устройство. Как ожидается, методика откроет большие перспективы перед прозрачной электроникой и смежными областями.
Казалось бы, упомянутые тенденции свидетельствуют о переходе исследователей на «следующую ступень» работы с наноматериалами: с исследования «чистых» наноматериалов к использованию их свойств на практике. Но до сих пор некоторые работы подбрасывают новые интересные сведения и о самих (чистых) наноматериалах. Так совместная группа ученых из Великобритании, Китая и Нидерландов показала, что, вопреки теоретическим предсказаниям, протоны (ядра атомов водорода) отлично проникают через один слой графена или нитрида бора. Полученные результаты имеют стратегическое значение: они доказывают, что упомянутые двумерные материалы могут использоваться в качестве мембран для водородных топливных элементов. Более того, они обеспечивают проводимость, заявленную в качестве «целевого показателя» Министерством энергетики США к 2020 году.
Квантовый компьютер
Говоря о наноструктурах, нельзя не остановиться на такой популярной теме, как квантовый компьютер. Увы, но этот год не подарил нам полномасштабного работающего устройства. Опубликованные работы, попадавшиеся на глаза редакции, содержат информацию только о различных усовершенствованиях и усложнениях в существующих квантовых цепях. Будем ждать более «громких» результатов.
Альтернативная энергетика
Выше мы уже вспоминали об открытии, позволяющем продвинуться вперед при создании водородных топливных элементов. Но водородом список вариантов альтернативных источников энергии не ограничивается. Наибольшее внимание научного мира приковано к процессу переработки солнечной энергии. В частности, группа ученых из Канады создала новый тип стабильных на воздухе коллоидных наночастиц, позволяющих поднять эффективность преобразования более чем на 8%. А группа из США предложила использовать «чернила» из нанокристаллов теллурида кадмия, позволяющие при помощи пленок всего 330 нм толщиной преобразовывать свет в электричество с КПД около 10%. При повышении толщины структуры до 550 нм КПД в их эксперименте повышался до 11%.
Внимание ученых привлек не только вопрос повышения эффективности самого преобразования энергии, но и поиск способов улучшить работу солнечного элемента другими путями. Как и в прошлом году, шел поиск новых подложек и электродов. Хотя каждая опубликованная статья делает эту технологию потенциально немного более выгодной, работы в данном направлении далеки от завершения.
Развитие исследовательских методик
Создается ощущение, что основное внимание научного сообщества приковано к наномиру. Однако вместе с появлением новых наноструктур развиваются и смежные области, в частности, позволяющие создавать новые инструменты для наблюдения явлений в наномасштабе.
Группа исследователей из Франции сообщила о новой методике отображения границ магнитных доменов в ферромагнетиках, разрешение которой позволяет дойти до наномасштабов. Методика задействует так называемые «азот-вакансии» в алмазах, размещенные на конце сканирующего атомно-силового микроскопа (т.е., фактически, ее можно отнести к разновидностям СТМ). А исследователи из США и Италии предложили способ улучшения метода ИК-спектроскопии за счет взаимодействия света с поверхностными плазмонами (коллективными колебаниями свободных электронов) особой металлической структуры. Одновременно учеными из США была предложена модификация просвечивающего электронного микроскопа, в результате чего им удалось наблюдать процесс образования кристаллов карбоната кальция в реальном времени. Еще одна группа из Германии разработала методику высокоточных измерений при помощи холодных атомов, зафиксированных в одномерном массиве ловушек. Техника наблюдений (учитывая ее сложность), конечно, применима только для очень специфических задач, к примеру проверки положений общей теории относительности.
Среди работ по созданию исследовательских инструментов встречались и довольно необычные. В частности, ученые из Франции и Нидерландов предложили конструкцию простейшего акустического микрофона (т.е. инструмента, позволяющего получать информацию о частоте и амплитуде механических колебаний) размером всего в одну молекулу. Также был опубликован целый ряд статей, посвященных обнаружению и определению молекул (в том числе биологических) в растворах. Для примера хочется вспомнить работу совместной группы из Великобритании, Германии, Сингапура и Гонконга, предложившей использовать металлические нанокластеры (плазмонные олигомеры) в качестве резонансных сенсоров для выявления и идентификации в растворе отдельных молекул. Еще один показательный пример – работа совместной группы из Австралии и США, доказавшей, что в качестве точного биосенсора может использоваться дисульфид молибдена.
Надо отметить, что развивались не только техники, позволяющие наблюдать процессы, но и инструменты активного воздействия на них. Предложен новый способ манипулирования мощными световыми пучками при помощи плазмы, который может пригодиться для построения управляемого термоядерного реактора. Кроме того, группа из США и Испании предложила инструмент, состоящий из единственного атома кремния, управляемого при помощи пучка электронов. Этот инструмент позволяет создавать ультрачистые графеновые структуры. Примерно в то же время группа из Испании и Австралии предложила конструкцию оптического пинцета, позволяющего работать с объектами, имеющими характерные размеры порядка нескольких нанометров.
В завершение обзора хочется отдельно поговорить об одной из сфер применения исследовательских методик физики – о медицине. Здесь были разработаны устройства для облегчения чтения генома, в частности, не так давно был предложен так называемый «молекулярный ридер», позволяющий «считывать» длинные последовательности ДНК. Одновременно с этим был доработан сравнительно новый метод микроскопии высокого разрешения RESOLFT, позволяющий получать изображения живых клеток без их повреждения (благодаря работе ученых из Германии методика была освобождена от проблемы хроматических аберраций). Чуть ранее был предложен способ улучшить медицинские техники отображения при помощи комбинационного рассеяния, а также новая разновидность фотоакустической техники, позволяющей обойти стандартное ограничение – дифракционный предел (в результате ученые могут видеть не только отдельные клетки, но и структуры внутри них). Ряд работ был посвящен новым контрастным агентам для существующих методик наблюдений.
Таким нам запомнился 2014 год. Будем надеяться, следующий принесет не меньше интересных открытий и разработок.
Также по теме:
- Итоги 2011 года в области физики
- Физика и нанотехнологии: итоги 2012 года
- Медицина и биология: итоги 2013 года
- Итоги 2013 года в физике и нанотехнологиях
- Медицина и биология: итоги 2012 года