Новые технологии базируются как на фундаментальных исследованиях, так и на реальных технологических разработках, ведущихся инновационными инженерами. И грань между фундаментальными и прикладными исследованиями часто не различима.

Одним из таких новых направлений является молибденитная электроника, в которой не будет кремния. Если появится электроника, которая основана не на кремнии, как сейчас, а на молибдените, то она будет не "лучше" или "хуже", она будет просто "иная". Учёные из Федерального политехнического института Лозанны отделили тончайший слой молибденита, закрепили его на подложке и создали специальную электродную структуру для контакта.

Молибденит – это давно известный минерал, широко распространённый по земному шару. Он является основным промышленным сырьём для производства металлического молибдена. По своей химической природе он представляет собой соединение молибдена и серы с формулой MoS₂. Цветом он похож на обычный металл – типа стали. На воздухе молибденит нестабилен. Основное специфическое свойство молибденита – это его выраженная слоистая кристаллическая структура. В плоскости слоёв атомы молибдена и серы связаны прочными ковалентными связями, которые трудно разорвать. Но в направлении, перпендикулярном слоям, химические связи очень слабые и легко разрываются, например, при минимальном механическом воздействии. Если размять молибденит пальцами, то на коже останется слой с жирным металлическим блеском – это на поверхности застряли мелкие чешуйки молибденита.

Это свойство широко используют в машиностроении для изготовления смазок для поверхностей, трущихся в вакууме. То есть по своим механическим свойствам молибденит подобен графиту и многим другим твёрдым веществам с выраженной слоистой структурой. Свойства кремния и молибденита различны. Кристаллическая решетка кремния относится к каркасному типу, и он принципиально не может обладать рядом свойств, которые типичны для слоистых материалов. С другой стороны, кремний механически жёсткий, и из него делается (и будет делаться в обозримом будущем) основа современных микросхем - подложки. Молибденит с точки зрения механических свойств больше похож на плотную пачку бумажных листов и совершенно непригоден для использования в качестве несущих конструкций. Про более тонкое сравнение электронных и оптических свойств кремния и молибденита можно говорить бесконечно. Поэтому наноэлектроника молибденита или графена будет очень отличаться от микроэлектроники кремния, а принципиальная разница в материалах всегда порождает принципиально разные приборные решения. Молибденит полупроводникового качества может быть получен либо при выращивании искусственных объёмных кристаллов, либо методами эпитаксиальных технологий. Методы выращивания монокристаллов слоистых сульфидов давно известны, однако их надо адаптировать применительно к молибдениту. В частности, необходимы сверхчистые реактивы молибдена и серы, требуется точное поддержание заданного соотношения молибдена и серы в выращиваемом кристалле, нужно изолировать растущий кристалл от воздушной атмосферы, необходимо разобраться с возникающими при росте дефектами.

Основное достижение швейцарских учёных в том, что авторам удалось отделить монослой молибденита с площадью, достаточной для создания работоспособной приборной структуры. Это хорошее достижение, но не более. Ранее все исследовательские ресурсы сконцентрировались на кремнии, германии, арсениде галлия, но учёные не забывали о молибдените, и как только началась эпоха слоистых углеродных материалов семейства графена, исследователи вполне логично обратились к рассмотрению и других слоистых материалов, которых известны сотни и тысячи. Молибденит среди них вызывает повышенный интерес. То есть в соревновании графена и молибденита графену просто повезло стартовать с некоторым временным отрывом. Но применение слоистого молибденита может значительно расширить возможности наноэлектроники.

Ученые из Райсовского университета в Техасе, США (научный руководитель – Джеймс Тур (James Tour)) продемонстрировали метод обработки графена, позволяющий создавать на его основе микронные электрические цепи, состоящие полностью из углерода. В перспективе на основе данной технологии можно будет создавать сверхминиатюрные наноразмерные микросхемы и микропроцессоры, обладающие низким энергопотреблением и гораздо большей скоростью работы, нежели современные кремниевые аналоги. Разработка позволяет удалять с поверхности углеродного материала ровно один атомарный слой в тех участках, где это необходимо с разрешением по площади в несколько микрон. Это позволит размещать на углеродном микрочипе по соседству друг с другом графеновые конструкции из одного слоя материала, двух, трех и так далее.

Методика удаления одного слоя графена с углеродной поверхности, образованной несколькими такими слоями, крайне проста – она подразумевает распыление металлического цинка на углеродной поверхности с его дальнейшим удалением с помощью раствора соляной кислоты. В ходе распыления атомы цинка проникают в верхний углеродный слой, нарушая его, однако глубже проникнуть не могут, поэтому их растворение в соляной кислоте приводит к удалению только одного, самого верхнего слоя углеродного материала. Для того, чтобы удалить не весь верхний слой, а отдельные его фрагменты, ученые предлагают распылять цинк поверх шаблона, маски, наложенной на углеродную поверхность. В результате ученым удалось таким образом вытравить на поверхности графена рисунок в микрометровом разрешении – сову – символ Райсовского университета.

Инженеры из Корейского института перспективных научных исследований и технологий сконструировали гибкую литиевую перезаряжаемую батарею на основе графеновой бумаги. Такая бумага представляет собой тонкий и чрезвычайно прочный биосовместимый материал, образованный перекрывающимися слоями графена. Разработчиков аккумуляторов привлекают её гибкость, теплостойкость и высокая удельная электропроводность. В новых экспериментах слой катодного материала, оксида ванадия V₂O₅, создавали на графеновой бумаге по методике импульсного лазерного осаждения, а в качестве анода применялась бумага с литиевым покрытием.

Получившийся лёгкий аккумулятор можно сгибать и сворачивать. Электроды, по словам авторов, превосходят традиционные жёсткие образцы практически по всем параметрам — к примеру, по сроку службы и удельной запасаемой энергии. В будущем учёные надеются усовершенствовать характеристики аккумуляторов за счёт использования твёрдого или полимерного электролита.

Загрязнение сточных вод токсичными солями тяжёлых металлов – одна из серьёзных проблем современной цивилизации. О высокой токсичности ртути и её крайне вредном воздействии на организм человека и окружающую среду известно каждому. Одним из эффективных методов борьбы с подобными загрязнениями является химическая адсорбция ионов Hg²⁺. В качестве наиболее эффективных сорбентов можно назвать проводящие полимеры, содержащие серу, азот или кислород, которые проявляют высокую активность при связывании ртути. Однако удельная площадь поверхности подобных полимерных материалов невелика, что заставляет научную общественность разрабатывать новые уникальные композиты для эффективной очистки. Решением данной проблемы занимаются корейские учёные в университете города Поханга (Pohang, Korea). Ранее научная группа под руководством профессора Кима (Kwang S. Kim) уже опубликовала эффективный метод очистки сточных вод с высоким содержанием мышьяка. Сейчас фокус их исследований направлен борьбу с ртутью. В качестве сорбента они использовали полипиррол (polypyrrole – PPy), отличающийся высокой стабильностью (как химической, так и термической) и низкой токсичностью. Для увеличения площади удельной поверхности сорбции в качестве основы для полимера был предложен восстановленный оксид графена (reduced graphene oxide – RGO), что увеличит эффективность адсорбции тяжелых металлов в сточных водах.

Ученые из Университета Пердью разработали новый тип чувствительных, надежных и долговечных биологических и химических датчиков с минимумом движущихся частей и низкой стоимостью. Новые датчики сделаны из тонких полос желеобразного материала, называемого гидрогелем, который расширяется и сжимается в зависимости от кислотности окружающей среды. Последние результаты исследований показывают, что такой датчик может использоваться для точного определения уровня рН жидкости. Эта технология может использоваться во множестве сфер, например для мониторинга окружающей среды и контроля уровня сахара в крови. В отличие от множества нанотехнологий, эта настолько проста, что не составит труда найти ей коммерческое применение. Для создания датчика гибкий нерастворимый в воде гидрогель выполняется в виде волнистой полоски (дифракционной решетки), покрытой золотом. Эта полоска расширяется и сжимается в зависимости от уровня рН, что фиксируется лазерным светом, отражающимся от золотого покрытия. Взаимодействие света с выпуклостями и впадинами на полоске создает дифракционную картину, которая отличается в зависимости от высоты полосы, и позволяет точно определить уровень кислотности. Уровень рН жидкости измеряется по шкале от 0 до 14, где 0 наиболее кислая среда, а 14 – наиболее щелочная. Результаты опытов продемонстрировали высокую чувствительность гидрогелевого датчика – он может обнаруживать изменения менее, чем в одну тысячную по шкале рН. Это измерение длины полоски всего в несколько нанометров.

Американские учёные из Университета Западного резервного района создали новый вариант катализатора на основе углеродных нанотрубок, предназначенного для топливных элементов. Несколько лет назад авторы провели удачные эксперименты, в которых место платины занимали легированные азотом углеродные нанотрубки.

«Хорошие каталитические свойства нанотрубок мы связали с электроноакцепторной способностью атомов азота, – рассказывает участник исследований Лимин Дай (Liming Dai). – За счёт внутримолекулярного переноса заряда расположенные рядом атомы углерода приобретали положительный результирующий заряд, что в конечном итоге ускоряло реакцию восстановления кислорода. К сожалению, химический процесс подготовки углеродных наноматериалов с ковалентно связанными атомами азота оказался трудоёмким и весьма затратным». Теперь химики нашли возможность избавиться от азота и упростить технологию. Улучшенный вариант катализатора имеет аналогичный принцип действия, но использует межмолекулярный перенос заряда и электроноакцепторные свойства полимера – полидиаллилдиметиламмония хлорида. Обрабатывать заготовки раствором этого полимера несложно, и один килограмм «активированных» нанотрубок будет стоить около ста долларов. При размещении на катоде щелочного топливного элемента такой катализатор ни в чём не уступал платиновому; более того, он продемонстрировал повышенную стабильность работы и увеличенный срок службы.

Израильские изобретатели решили одну из проблем солнечной энергетики – необходимость выделения промышленным установкам большой площади. Вместо того чтобы занимать под панели дорогостоящую землю, инженеры предложили монтировать фотоэлектрические преобразователи на плотах и выпускать их на водную гладь, там, где они никому не помешают. Плавающая концентрирующая фотогальваническая система (F-CPV) под названием Aquasun – новая разработка израильской компании Solaris Synergy. Её специалисты считают, что с пользой для дела можно задействовать водохранилища электростанций и водоканалов, пруды для очистки сточных вод и тому подобные водоёмы. В феврале 2011 года Solaris запустила в работу первое устройство F-CPV, соединённое с промышленной электрической сетью. Система возведена на территории исследовательского центра возобновляемых источников энергии и энергосбережения (CREEC), расположенного в 30 километрах севернее Эйлата. В сентябре 2011 года совместно с французской энергетической компанией EDF Group Solaris собирается запустить опытный комплекс плавающих солнечных генераторов на юго-востоке Франции. Также тестовую систему планируется выпустить на воду в одном из водохранилищ израильской компании Mekorot.

Последние работы ученых из США показали, что массивы нанопроводов из оксида металла позволяют сделать существенный шаг вперед в развитии новых материалов, применимых для солнечной энергетики. Структура нанопроводов такова, что их вертикально-ориентрованные множества обеспечивают оптимальное поглощение фотонов, при этом малый диаметр каждого отдельного провода ограничивает длину свободного пробега освобожденных носителей тока. Таким образом, они позволяют измерить реальный фототок практически любого нового материала. К примеру, оксид железа имеет практически идеальную ширину запрещенной зоны, но ранее не применялся в подобных задачах, т.к. по своим свойствам является изолятором Мотта. Это означает, что свободные носители тока в нем не могут распространяться далее, чем на несколько нм, таким образом, ранее было невозможно получить данные о фототоке в тонких пленках оксида железа. Но последние эксперименты ученых из University of Louisville (США) показали, что вертикально-ориентированные массивы нанопроводов из оксида металла обеспечивают вполне стабильный фототок.

Современные оптоволоконные линии связи способны передавать более терабайта информации в секунду, но это не означает, что в этой области уже нечего улучшать и совершенствовать. Одно из таких усовершенствований, о котором было объявлено совсем недавно, заключается в создании внутри волокна кварцевого стекла канала, заполненного полупроводниковым материалом, селенидом цинка. Этот новый класс волоконной оптики, изобретенный и изготовленный учеными Пенсильванского университета, позволяет "более эффективное и гибкое управление распространением света в волоконно-оптическом кабеле". Новая технология может найти свое применение не только в области информационных технологий и коммуникаций, а так же и в медицине, области экологического контроля и, конечно, в военной области.

Американские биологи показали, как можно использовать бактерии Escherichia coli (кишечную палочку) для выработки н-бутанола. н-Бутанол рассматривается в качестве одного из возможных заменителей дизельного топлива и бензина, а его лучшими биологическими производителями считаются грамположительные бактерии рода Clostridium. Модифицирование генетического кода Clostridium позволяет ещё больше увеличить выход бутанола, и именно такие опыты привлекают внимание специалистов.
Однако некоторые исследователи пытались приспособить ферменты, которыми пользуются разные виды Clostridium, для получения топлива силами других бактерий, хорошо подходящих для выращивания в производственных масштабах. Основную роль в переработке в н-бутанол ацетил-кофермента А, продукта метаболизма глюкозы, играют пять ферментов, но при их «пересадке» сторонним бактериям объёмы выработки сильно снижались. Проблемой стало обратное действие энзимов, превращавших н-бутанол в исходные вещества-предшественники. Ученые решили эту проблему, заменив два из пяти ферментов Clostridium энзимами, взятыми у других бактерий. «Это позволило снизить скорость обратной реакции, – поясняет руководитель исследования Мишель Чан (Michelle Chang). – Если она протекает достаточно медленно, процесс трансформации становится фактически необратимым, и мы увеличиваем выход готового продукта».

Учёные из Технологического института Джорджии и университетов Толедо и Виллановы предложили использовать наночастицы алюминия в качестве добавки к биотопливу – этанолу. Они продемонстрировали, что такая смесь выделяет при горении больше тепла, чем обычное топливо. Частицы алюминия (50 нанометров в диаметре), а также его оксида Al₂O₃ (36 нанометров) смешивали с этанолом в разных пропорциях. В калориметрическую бомбу – прибор, позволяющий рассчитывать теплоту сгорания при использовании небольшого количества топлива, – помещали образец смеси этанола и наночастиц. Горение инициировалось электрическим разрядом и происходило в присутствии кислорода при давлении 20 атмосфер. Оксид алюминия не принимает никакого участия в сгорании топлива. Исследователи пробовали добавлять в топливо от 0,5 до 5 процентов наночастиц оксида, и чем больше становилась его объёмная доля, тем сильнее снижалась теплоотдача топлива. В случае с наночастицами чистого алюминия влияние на теплоотдачу топлива зависит от объёма добавки. При внесении 1-3 процентов наночастиц алюминия никакого выигрыша нет, есть даже небольшое снижение количества выделяемого тепла. При внесении 5, 7 или 10 процентов алюминия теплота сгорания топлива линейно возрастает. Удельная теплота сгорания этанола, по данным авторов, – 21,67 мегаджоулей на литр, а при добавлении 10 процентов наночастиц алюминия – 25 мегаджоулей на литр.

Уникальный материал, обеспечивающий механическое прилипание, может найти применение в космической отрасли. С точки зрения структуры, этот клеевой материал представляет собой пептид – вещество, молекулы которого построены из двух и более аминокислот. Его поверхность покрыта нановолокнами, которые могут цепляться друг за друга, образуя очень прочное переплетение. Принцип действия схож с застёжкой-липучкой, рассказывает один из авторов разработки, профессор биохимии Джон Томич из Университета штата Канзас (США). В отличие от многих коммерческих адгезивов, которые теряют «хватку» при высыхании, новый материал приспособлен для работы в отсутствии жидкости. Ввиду своих необычных свойств он не предназначен для широкого использования, однако в некоторых специфических областях наверняка пригодится. Одной из сфер применения разработчики рассматривают космонавтику: к примеру, можно было бы ремонтировать обшивку корабля, приклеивая «заплатки» прямо на месте, во время выхода в космос… Что ещё? – Поскольку сцепление материала заметно ухудшается в жидкой среде, он, наверное, мог бы послужить индикатором уровня жидкости в ёмкости.

Для уменьшения количества потребляемого топлива и, следовательно, выбросов вредных веществ в окружающую среду британская авиакомпания EasyJet начала покрывать свои самолеты слоем покрытия, названного «tripleO». Покрытие состоит из наночастиц специального акрилового полимера, которые проникают даже в самые маленькие микротрещины и углубления, делая поверхность гладкой. Такое покрытие, добавляя всего около 150 г к весу всего самолета, позволяет увеличить гладкость поверхности на 40%. 40%-е увеличение гладкости поверхности приводит к экономии 1–2% топлива. Казалось бы, совсем немного, но в масштабах крупной авиационной компании это выливается в экономию десятков миллионов долларов в год, не говоря уж об экологических аспектах такой экономии. Помимо этого, покрытие «tripleO» выступает в качестве дополнительного защитного покрытия, защищающего от порчи краску и поверхность самолета. Американские ВВС используют эту технологию уже достаточно длительное время, но впервые эта технология была применена коммерческой компанией.

Исследователи из университета Райса построили материал, который при регулярных нагрузках становится только прочнее, словно кости и мышцы живого существа.
Композит состоит из леса вертикально расположенных многослойных углеродных нанотрубок, промежутки между которыми заполнены полидиметилсилоксаном. К удивлению экспериментаторов, циклическая нагрузка на этот материал привела не к возникновению механической усталости, но к упрочнению композита. Сжатие с частотой пять раз в секунду в течение недели увеличило жёсткость образца на 12%. Учёные открыли важную особенность данного нанокомпозита: статическая нагрузка не меняет его свойств. Только динамическое воздействие приводит к росту жёсткости. В этом плане авторы исследования сравнивают свой композит с костями и хрящами у спортсменов: регулярная стрессовая нагрузка приводит к их упрочнению. Авторы полагают, что, разобравшись в деталях взаимодействия полимера и углеродных нанотрубок, смогут создавать не только самоупрочняющиеся конструкционные материалы, но и искусственные имплантаты костей и хрящей, обладающие некоторым сходством с природными аналогами.

Профессор Гуоюн Лю (факультет химии университета Куинс) открыл метод использования нанотехнологий для сокращения трения в автомобильных двигателях и других механизмах. «Технология окажется полезной не только для автомобилей», сказал доктор Лю. Ученые под руководством профессора подготовили крошечные полимерные частицы величиной всего несколько десятков нанометров. Затем эти частицы поместили в масло для автомобильного двигателя. Во время испытания выяснилось, что эти наночастицы обладают беспрецедентной способностью сокращать трение. Даже в незначительной концентрации эти наночастицы сработали лучше, чем популярные сегодня присадки для сокращения трения. Они способны сократить трение на 55% эффективней, чем удавалось достичь к настоящему моменту любыми другими средствами.

Калифорнийская компания Bridgelux представила высокоэффективные светодиоды, выполненные на кремниевой подложке. Обычно при изготовлении светодиодов применяют более дорогие подложки из сапфира или карбида кремния, которые хорошо подходят для покрытия нитридом галлия (GaN). Использовать GaN в связке с распространённым и дешёвым кремнием намного сложнее, поскольку эти материалы не согласуются друг с другом по коэффициенту термического расширения и постоянной решётки. В экспериментах со светодиодом диаметром в 1,5 мм, который работал при 350 мА и коррелированной цветовой температуре в 4730 К, была продемонстрирована достойная световая отдача (отношение светового потока к потребляемой мощности) в 135 лм/Вт; два года назад примерно такие же характеристики имели «сапфировые» светодиоды. Новое устройство также может похвастаться невысоким рабочим напряжением: ему достаточно 2,9 В.

Pepsi начала выпуск бутылок из растений. Неизвестно, сколько стоил гиганту такой маркетинговый ход, но вскоре газированный напиток могут начать повсеместно упаковывать в тару растительного происхождения. Замену распространённому пластику PET химики исследовательского подразделения PepsiCo искали несколько лет – цена вопроса исчисляется в миллионах долларов. Однако новая тара будет стоить столько же, сколько и пластиковая. Новая «зелёная» бутылка, по заверениям разработчиков, на 100% состоит из материалов, полученных из растений: шелухи проса, коры сосен, листьев кукурузы и прочего. В 2012 году на полках магазинах появятся первые несколько сотен тысяч «растительных» бутылок. Если станет ясно, что производство «зелёной» тары в таких масштабах реально и коммерчески выгодно, Pepsi планирует начать упаковывать в новый материал все свои продукты. Кстати, другой гигант Coca Cola сейчас производит тару, лишь на 30% состоящую из растительного сырья. Об этом было объявлено недавно, и эксперты компании тогда заявили, что полный отказ от использования нефтепродуктов станет возможным лишь через несколько лет.

Антибактериальные свойства меди известны издревле. Но использовать медь в текстильной промышленности первым придумал израильтянин Джеф Габай. Его антимикробное постельное белье сегодня рекламируется по всем телеканалам США. Если уснешь в «медной» постели, утверждает реклама, то проснешься молодой и здоровой. "В эту ткань вплетен настоящий натуральный оксид меди, который при реакции с водой, а наше тело состоит из воды, выделяет ионы меди", - рассказывает глава фирмы Cupron Scientific Джеф Габай. Новая ткань, по словам ее разработчиков, настоящее чудо гигиены. Ионы меди убивают все вредные бактерии, все вирусы, и защищают кожу лучше любой кольчуги. Самостерилизующийся текстиль теперь на вооружении спецслужб США. В будущем году израильский старт-ап, по согласованию с армией, переоденет и своих солдат. Несколько десятков тысяч пар медных носков уже в пути.

Движущаяся лестница-эскалатор, которая способна "ползти" по спирали, получила название Helixator и совершила переворот в современной архитектуре - изобретение израильского инженера Михаэля Давида, описанное в последнем номере международного журнала ENGINEER. Спираль геликсатора можно установить в помещениях или внутри конструкций большой высоты, где эскалатор установить невозможно, из-за дефицита площади - в качестве примеров и потенциальных объектов, на которых будет использование революционного изобретения Михаэля Давида, называются небоскреб "Азриэли" в Тель-Авиве и Эйфелева башня в Париже. Преимущества геликсатора очевидны: испытательная модель геликсатора, собранная в Германии, поднимает на высоту 100 метров и спускает обратно до 20 тысяч человек в час, что равно по пропускной способности работе 15 скоростных лифтов одновременно, причем с гораздо большим комфортом.

Как видно из приведенного обзора, горизонты применения новых инновационных технологий практически охватывают все области техники. И только остаётся констатировать малую активность российских ученых и инженеров в этих процессах. Мне кажется, что надо шире использовать опыт соотечественников и привлечь их к руководству новыми инновационными разработками, ибо только выходцы из бывшего СССР за год патентуют в мире в 20-25 раз больше разработок, чем все ученые России.

Новые технологии: от макро до нано
(обзор новейших разработок)
Олег Фиговский, Nanotech Ind., Inc.
(скачать в Word)