Сергей Назаров
Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!
Впервые в июле я получил законный отпуск для отдыха от ежемесячных обзоров. Поэтому новый обзор составлен из новостей двух месяцев. Честно говоря, новостей за июль и август набралось столько же, сколько их было за один весенний месяц. Однако некоторый выбор у меня был, и это хорошо.
Раздел ЭКОЛОГИЯ вызван мной из отпуска. «Нанонос: нюх на неприятности», называется заметка от 30 августа на www.popmech.ru. «Нанодатчик, обнаруживающий присутствие в воздухе опасных летучих веществ, быстрыми темпами превращается из лабораторного проекта в коммерческий продукт. Очередной пример «электронного носа» - портативного датчика, способного с высокой чувствительностью обнаруживать в воздухе следы определенных химических веществ - представили недавно калифорнийские инженеры из команды Носанга Муна (Nosang Myung). И весьма удачный пример, легко замечающий присутствие всевозможных опасных летучих соединений, которые могут свидетельствовать о близком присутствии биологического оружия, утечек газа, взрывчатых веществ и прочего.
Работает детектор с использованием микроскопических канальцев, покрытых массивами углеродных нанотрубок, заранее функционализированных, то есть несущих определенные химические группы, обеспечивающих выполнение тех или иных задач, например, улавливания определенных опасных веществ.Создание прототипа было поручено компании Nano Engineered Applications, которая быстро справилась с задачей и теперь трудится над уменьшением размеров устройства с текущих 10х18 см до «размеров кредитной карточки». По их мнению, это более чем возможно, причем это будет многоканальный инструмент, способный обнаруживать параллельно восемь потенциально опасных соединений, а одноканальный будет еще более миниатюрным. Кроме того, если текущий прототип оснащен микропроцессором, USB-портом, датчиками температуры и влажности, то в новой версии он должен обрести также GPS-модуль и поддержку Bluetooth (возможно и Wi-Fi) для связи с современными устройствами, в том числе со смартфонами и планшетными компьютерами.
Новый прототип разработчики обещают закончить уже через месяц, а в будущем году планируют представить свой «нанонос» на продажу».
«Наночастицы находят и нейтрализуют токсины в грунтовых водах», пишет 26 июля www.nanonewsnet.ru. «…Традиционные методы очистки заключаются в откачивании загрязнённой воды или в её обработке специальным раствором, но прежде нужно точно определить центры загрязнения и достичь их. Альтернативный подход к решению этой задачи предложен специалистами из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия). Наноразмерные железные частицы инжектируются прямо в загрязнённые почвы, где они проходят теми же путями, достигая «очагов загрязнения» и инициируя окислительно-восстановительную реакцию, в которой электроны переходят между частицей и загрязнителем. Реакция изменяет окислительное состояние загрязнителя и «снижает его токсичность до безопасного уровня». Именно малый размер этих частиц позволяет им беспрепятственно проходить по микроскопическим каналам в почве и камнях.
Как замечают авторы, железные наночастицы совершенно безопасны для экологии. Они не слишком подвижны и быстро растворяются. Для оптимизации своих наноагентов исследователи экспериментировали с различными способами получения железных частиц и их инкапсулированием в полимер, предотвращающий ржавление…Полимерное покрытие, по словам учёных, позволяет затормозить процесс растворения частиц и увеличить их мобильность без каких бы то ни было последствий для окружающей среды. Предложенная технология была опробована в двух местах в провинции Онтарио (Канада), где были достигнуты значительные степени деградации загрязнителей».
(Интересная ситуация – наночастицы железа помещают в полимерную оболочку для того, чтобы они не окислялись (вряд ли на таких размерах корректно говорить именно о ржавлении), и при этом частицы, достигнув очага загрязнения, должны инициировать «окислительно-восстановительную реакцию, в которой электроны переходят между частицей и загрязнителем». А как это обеспечить, если железо закрыто слоем полимера? – Редактор)
Раздел ЭНЕРГИЯ посвящен нетрадиционным ее источникам и системам передачи. «Лампочка, парящая в воздухе, делает электрические провода устаревшим понятием», утверждает 10 июля www.nanonewsnet.ru. «…Как и большинство «волшебных» фокусов с левитацией, эта светодиодная лампочка висит в воздухе благодаря применению комбинации постоянных и электрических магнитов. В составе устройства есть пара скрытых от взгляда резонансных электрических катушек, которые служат для беспроводной передачи энергии, которые позволяют выключить свет лампы, не прерывая процесса ее парения в воздухе.
Согласно информации от изобретателя такой необычной системы Криса Риджера (Chris Rieger), система потребляет около 9 Ватт электроэнергии, из них только 3 Ватта расходуются на приведение в действие собственно светодиода лампочки, оставшаяся часть энергии расходуется на создание эффекта парения в воздухе. Что же произойдет, если вдруг пропадет электроэнергия? Многие люди подумают, что такая лампочка или лампочки тут же попадают на пол. Но вместо этого, они поднимутся вверх и «прилипнут» к потолку. В таком состоянии их будет удерживать постоянный магнит, заключенный в конструкции самой лампочки, который притянется к достаточно массивной железной части, скрытой в потолке. Магнитное поле, вырабатываемое катушкой, так же скрытой в потолке, уравновешивает магнитное поле постоянного магнита, в результате чего лампочка опускается и парит в воздухе…К изобретению Криса есть интерес, притом интерес немалый. Поэтому он уже всерьез задумывается над тем, что бы наладить выпуск наборов из серии «Сделай сам», купив который можно будет подвесить такую летающую лампочку прямо у себя в доме. К сожалению, мы понятия не имеем, сколько будет стоить такой набор».
«Новая методика захвата света позволяет сделать солнечные батареи тоньше», пишет 10 июля www.nanonewsnet.ru. «По мнению ученых из США, предложенная ими новая методика захвата света позволит существенно повысить эффективность работы солнечных батарей. Техника, основанная на применении так называемых наноантенн, в будущем может обеспечить создание более эффективных, но в то же время дешевых и тонких солнечных элементов, требующих для своего производства гораздо меньшего количество материала. Для коммерческого успеха солнечная батарея должна удовлетворять одновременно двум условиям:
- Во-первых, материал, из которого она сделана, должен быть «оптически толстым», чтобы каждый попадающий на него фотон использовался для генерации пары электрон-дырка.
- В то же время, материал не должен быть слишком толстым физически, т.к. в его объеме фотогенерированная пара рекомбинирует прежде, чем достигает электродов, где она должна превратиться в «полезный ток».
Один из способов удовлетворить этим двум противоречивым критериям – использовать химически-чистые (и, стало быть, дорогие) материалы для формирования поглощающего слоя. Естественно, этот способ не очень подходит для широкого коммерческого внедрения.
Существует и другой подход: увеличение количества света, поглощаемого тонким слоем обычного фотоэлектрического материала с помощью техник захвата фотонов. Значительных успехов в этой области совсем недавно добилась группа ученых из North Carolina State University (США). Группа проводила эксперименты на наноструктуре, напоминающей сэндвич и состоящей из слоя поглощающего свет полупроводника (в данном случае аморфного кремния), размещенного между двумя не поглощающими диэлектрическими слоями: ZnO и Si3N4. Форма наноструктуры была выбрана такой, чтобы реализовать оптическую антенну, концентрирующую свет в слое кремния, за счет использования плазмонных мод. Благодаря своей особой структуре, предложенный «сэндвич» может поглощать гораздо больше света.
Другим важным моментом является то, что диэлектрические слои играют роль просветляющего покрытия, а значит, система отражает гораздо меньше света и повышает общую эффективность устройства. Исследователи максимально возможно оптимизировали толщину диэлектрического слоя для наилучшего просветления (сохранив при этом способность структуры концентрировать свет в слое аморфного кремния). В результате предложенная учеными методика позволяет структурам на основе аморфного кремния всего 70 нм толщиной поглощать до 90% падающего излучения. Столь высокий процент поглощенных фотонов ранее требовал гораздо более толстых пластин аморфного кремния – не менее 300 нм толщиной. Исследователи уверены, что техника может быть применена и к другим светопоглощающим материалам, в том числе органическим. Более того, методика оказывается совместима со стандартными техниками осаждения тонких пленок, применяющимися сегодня при промышленном производстве солнечных батарей…»
«Солнечно-энергетические шары от Rawlemon смогут собирать энергию от лунного света», информирует 30 августа www.nanonewsnet.ru. «В последние годы солнечная энергия становится все более привычной в нашей повседневной жизни, проявляясь во всем, начиная от солнечных установок на крышах и заканчивая солнечными генераторами на космических станциях. Единственное, что не изменилось за эти годы, – это способ сбора солнечной энергии: как правило, солнечные генераторы состоят из плоских фотоэлектрических панелей, которые захватывают солнечные лучи с разной степенью эффективности. Однако, недавно немецкий архитектор Андре Брессель, ныне работающий в барселонской дизайнерской компании Rawlemon, придумал и построил новую установку, кардинально меняющую наши представления о солнечной энергии. Новое устройство, названное как ß.torics (Beta.torics), представляет собой стеклянную сферу, заполненную водой и оснащенную вращательным механизмом отслеживания Солнца, которая концентрирует солнечный свет (до 10 тысяч раз!) на небольшую фотоэлектрическую панель.
Проектировщик утверждает, что эта система на 35 процентов более эффективна, чем традиционные двухосевые конструкции с фотоэлектрическими панелями. Более того, эта вращающаяся, всепогодная сфера даже может собирать энергию от лунного света! ß.torics система была изобретена Бресселем для того, чтобы ее можно было интегрировать в стены различных строительных конструкций, превращая их в своеобразные окна и одновременно в солнечные генераторы. Однако, возможность преобразования в электричество энергии рассеянного лунного света делает этот проект совершенно уникальным. Безусловно, футуристическая сферическая система обращает на себя внимание и красивым, необычным дизайном, который разительно отличается от дизайна привычных нам солнечно-энергетических установок с фотоэлектрическими панелями. Хочется надеяться, что солнечная энергетика будущего станет не только эффективной, но и очень привлекательной внешне».
Раздел ЭЛЕКТРОНИКА иллюстрирует тенденции развития: переход к гибким и миниатюрным устройствам. «Корейцы создали первое полностью сгибаемое электронное устройство», пишет 7 августа www.nanonewsnet.ru. «Корейские инженеры создали гибкие батареи и на их основе собрали первое полностью сгибаемое электронное устройство… Устройство представляет собой литий-ионную батарею с неорганическими электродами, нанесенными на гибкую подложку. При его изготовлении электроды сначала формируют на слюде, а затем переносят на пластик – полидиметилсульфоксан. При этом, метод переноса нетребователен к материалу, из которого изготовлены сами электроды.
Созданная корейскими учеными батарея способна сгибаться с радиусом около 3 миллиметров не меняя напряжения вырабатываемого электричества. В процессе испытания устройства его сгибали более 20 тысяч раз, но это практически никак не изменило показаний вольтметра, подключенного к батарее. В порядке эксперимента исследователи подключили к батарее гибкий светодиодный дисплей и собрали, таким образом, первое полностью сгибаемое электронное устройство в мире. Литий-ионные батареи давно рассматриваются инженерами как хорошие кандидаты для изготовления гибких устройств питания. Сложности, которые возникают при их изготовлении, связаны прежде всего с электродами, которые должны при сгибах сохранять хороший контакт с электролитом. Для этого ученые пытаются использовать либо гибкие органические проводники, либо тонкослойные неорганические проводники. Недостатки первых связаны с низкой стабильностью, вторых – с трудностью переноса на гибкую подложку».
(Налицо альтернативные системы. И, соответственно, возможность объединения их полезных свойств – Р.)
«Новый тип "резиновой" электроники может растягиваться на 200% от первоначального размера», сообщает 10 июля www.nanonewsnet.ru.« При разработке медицинских имплантов, контролирующих изнутри человеческое тело и управляющих работой некоторых его органов, исследователи сталкиваются с одним главным препятствием. В большинстве случаев, эти электронные устройства должны быть весьма гибкими и эластичными для того, что бы не оказывать отрицательного влияния на сам человеческий организм, в который они внедряются. И вот, исследователи из Северо-Западного университета разработали технологию, работающую благодаря комбинации пористого полимерного материала и «жидкого» металла, которая позволит электронным устройствам без ущерба быть изогнутыми и растянутыми более чем на 200 процентов от их первоначального размера. В настоящее время интерес к гибкой и эластичной электронике обуславливает большое количество исследований, проводимых в данном направлении.
Исследователи уже разработали некоторые виды пластичной электроники, которая успешно применяется для создания гибких светодиодных панелей и некоторых видов медицинских имплантов. Все эти технологии основаны на использовании гибких полимерных материалов и обычных металлов из которых изготавливаются тончайшие проводники. Из-за этого электроника, изготовленная по таким технологиям, хоть и может деформироваться и растягиваться, но делает это без потери работоспособности в весьма ограниченных пределах и достаточно небольшое количество раз.
Для решения проблемы электрической проводимости в эластичной электронике, группа ученых их Северо-Западного университета и университета Иллинойса, возглавляемая профессором Йонггэнг Хуанем (Yonggang Huang), создали пористую трехмерную структуру, используя полимерный материал полидиметилсилоксан (polydimethylsiloxane, PDMS), материал, который может растягиваться в три раза относительно его первоначального размера. Поры этого материала в нужных местах были наполнены «жидким» металлом, сплавом EGaIn, формируя электрические проводники. Механические и электрические свойства «жидкого» металла позволили электрическому току течь через проводники даже тогда, когда материал подвергнут сильному растяжению.
«Комбинируя пористый полимер с жидким металлом мы создали эластичный токопроводящий материал, который выдерживает 200 процентов деформации и растяжения, что, по крайней мере, в четыре раза превышает аналогичные показатели других подобных проектов» – рассказывает профессор Хуань. – «Стоит только применить эту технологию при производстве электроники, и Вы получите электронные устройства, которые будут обладать механическими свойствами эластичного резинового жгута, оставаясь при этом полностью работоспособными». Такие чрезвычайно гибкие и эластичные электронные устройства могут быть внедрены практически в любое место человеческого организма. Помимо этого, такая технология может освободить производителей и потребителей бытовой электроники от «твердых» форм, к которым все уже так привыкли. Именно благодаря таким технологиям могут появиться «резиновые» компьютеры и смартфоны, которые сейчас представляются нам чем-то из области научной фантастики».
«Новый наноразмерный микроволновый передатчик позволит резко уменьшить размеры мобильных телефонов», утверждает 2 июля www.nanonewsnet.ru. «Устройства, вырабатывающие радиоволны и излучающие их в окружающее пространство, позволяют Вам делать телефонные звонки и пользоваться Интернетом с помощью беспроводных технологий. Основным задающим генератором во всех радиопередатчиках обычно является маленький кусочек кварца или кремния, который колеблется с очень высокой частотой. За прошедшие годы наука и технологии позволили миниатюризировать размеры радиопередатчиков максимально насколько это возможно, но новый, наноразмерный вариант, разработанный учеными совсем недавно, позволит разработать и изготовить действительно миниатюрные мобильные телефоны, которые будут стоить дешевле и работать намного стабильней.
Команда ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала конструкцию наноразмерного микроволнового генератора, в работе которого используется вращение электронов, так называемый спин электрона, а не электрический заряд, используемый в традиционных генераторах. С точки зрения обычного пользователя, которому, по большому счету, все равно, на каких принципах построено его устройство, эта разработка не кажется значимым событием. Но для специалистов это событие имеет большое значение. Прежде всего, новый наноразмерный генератор имеет в 10 тысяч раз меньшие габариты, нежели самые маленькие генераторы, используемые в нынешнее время. Такое удивительное сокращение размеров означает то, что такие устройства наконец пробьются на поверхности кристаллов интегральных схем. Это будет произведено без особых проблем, так как конструкция и размеры нового генератора полностью совместимы с современными производственными технологиями.
За счет малых размеров элементы конструкции нового наногенератора меньше подвержены влиянию разности температур с окружающей средой. Это означает, что частота, генерируемая таким генератором, будет иметь большую стабильность, а это, в свою очередь, позволит передавать большее количество данных с использованием стандартной полосы радиочастот. В области связи это означает более чистый звук и более качественное изображение. В отличие от других открытий и технологических прорывов, в данном случае полностью отсутствуют какие-либо барьеры, которые обычно мешают продвижению научных изобретений на практический уровень. Таким образом, наногенераторы нового типа могут появиться в мобильных телефонах и других устройствах радиосвязи в течении ближайших двух-трех лет».
