Znajdź zawartość

Naukowcy z Cornell University udowodnili, że przechodzenie promienia światła przez kabel optyczny może być kontrolowane przez inny promień światła. Możliwe jest zatem stworzenie całkowicie optycznego przełącznika. Obecnie w elektronice używamy przełączników elektrycznych. Zastąpienie ich technologią optyczną pozwoli na przyspieszenie pracy układów scalonych przy jednoczesnym zmniejszeniu poboru energii. Z idealną sytuacją mielibyśmy do czynienia, gdyby za pomocą jednego fotonu udało się sterować przepływem światła. Grupa profesora Alexandra Gaeta przybliżyła nas do momentu powstania idealnego przełącznika. Uczeni wypełnili światłowód fotoniczny oparami rubidu, a następnie na jednym jego końcu uruchomili promień podczerwony o długości fali 776 nanometrów, a na drugim wysłali sygnał kontrolny o długości 780,2 nanometra. W tak wąskiej „rurze", jaką jest światłowód, doszło do silnej interakcji światła z atomami rubidu. Gdy promień kontrolny był włączony, atomy absorbowały obie długości światła. Jednak gdy promień kontrolny wyłączano, główny promień przechodził przez światłowód bez przeszkód. Bardzo ważny jest fakt, że do wypełnienia funkcji kontrolnych wystarczyło mniej niż 20 fotonów, a przełączanie odbywało się z prędkością pięciu miliardowych części sekundy.

Profesor Shaul Yalovsky z Wydziału Biologii Molekularnej i Ekologii Roślin Uniwersytetu w Tel Awiwie zidentyfikował rodzaj "przełącznika", który mówi komórkom roślinnym kiedy mają rosnąć. Odkrycie to może znakomicie ułatwić walkę z nowotworami u ludzi. Naukowiec jest bowiem w stanie samodzielnie manipulować tym przełącznikiem i decydować o kształcie, wzroście komórek i tkanek oraz o ich odpowiedzi na infekcje wirusowe i bakteryjne. Wspomniany "przełącznik' to molekuła tłuszczu, która wpływa na pracę protein zwanych ROP. Zespół pracujący pod kierunkiem Yalovsky'ego i współpracujący z nimi profesor Yoav Henis i doktor Joel Hirsch ustalili, że wspomniana molekuła jest niezbędna dla aktywności ROP. Struktury bardzo podobne do ROP istnieją też w ciele ludzkim i są odpowiedzialne za włączanie procesu obumierania (apoptozy) w komórkach nowotworowych. Jest więc nadzieja, że wiedzę nabytą podczas badań "przełącznika" roślinnych ROP uda się wykorzystać do powstrzymywania wzrostu guzów nowotworowych. Profesor Yalovsky jest zdania, że uda się tak manipulować ludzkimi proteinami, że będzie można decydować o szybszym podziale komórek, co przyda się tam, gdzie konieczne jest leczenie ran, lub też o spowolnieniu lub zatrzymaniu podziału i tym samym zatrzymaniu np. wzrostu nowotworu. Naukowcy specjalizujący się w badaniu roślin wiedzą, że ROP łączą się z molekułą GTP, która następnie rozpada się, tworząc molekułę GDP. Gdy ROP jest połączony z GDP staje się nieaktywny. Profesor Yalovsky wyprodukował odpowiednio zmutowaną molekułę, która zapobiega łączeniu się ROP z GTP, tworząc w ten sposób inhibitor. Odkrycie izraelskich naukowców przyda się również w rolnictwie. Do roślin będzie można np. wprowadzić zmutowaną molekułę, by reagowały one tak, jakby były zagrożone przez patogeny. W ten sposób uruchomi się naturalne mechanizmy obronne roślin i zmniejszy zapotrzebowanie na środki chemiczne.

W przyszłości urządzenia elektroniczne mogą być mniejsze, szybsze, bardziej wydajne, a przy tym pobierać mniej energii. Wszystko dzięki najnowszym pracom specjalistów z Oak Ridge National Laboratory. Udało się im opracować metodę pomiaru wewnętrznego przewodnictwa materiałów ferroelektrycznych. Od lat są one uważane za bardzo obiecujące materiały, jednak brak precyzyjnych metod pomiaru, a co za tym idzie, brak możliwości kontrolowania tych właściwości, nie pozwalał na pełne ich wykorzystanie. Od dawna poważnym wyzwaniem jest opracowanie materiału, który w nanoskali może pracować jak przełącznik i służyć do przechowywania informacji w systemie dwójkowym. Jesteśmy bardzo podekscytowani naszym odkryciem i jego konsekwencjami. Od dawna podejrzewano, że przewodnictwo elektryczne w ferroelektrykach może charakteryzować się bistabilnością - mówi Peter Maksymovych. Wykorzystanie tej właściwości pozwoli na skonstruowanie niezwykle gęstych układów pamięci - dodaje. Naukowcom udało się dowieść istnienia gigantycznego elektrooporu w konwencjonalnych materiałach ferroelektrycznych. Odwrócenie w nich spontanicznej polaryzacji zwiększa przewodnictwo aż o 50 000 procent. Bardzo ważną cechą ferroelektryków jest ich zdolność do zachowania polaryzacji. To jak otwieranie malutkich drzwi, przez które mogą przejść elektrony. Te drzwi mają wielkość mniejszą niż jedna milionowa cala i prawdopodobnie można je otworzyć w ciągu jednej miliardowej sekundy - cieszy się Maksymovych. Ferroelektrycznymi przełącznikami można manipulować za pośrednictwem właściwości termodynamicznych samych materiałów, co z kolei oznacza m.in. możliwość znacznej redukcji mocy i napięcia potrzebnych do zapisania i odczytania informacji. Warto też wspomnieć, że badania przeprowadzone przez ORNL można było wykonać tylko dzięki temu, iż na ich potrzeby skonstruowano jedyny w swoim rodzaju instrument, zdolny mierzyć jednocześnie przewodnictwo i polaryzację tlenków w nanoskali w kontrolowanej próżni.

Niemiecka firma AMO, we współpracy z brytyjskimi naukowcami z University of Manchester, stworzyła grafenowy przełącznik. Grafen, dwuwymiarowa struktura węgla, być może w przyszłości zastąpi w elektronice krzem. Materiał ten pozwala na 100-krotnie szybszy przepływ elektronów, niż ma to miejsce w krzemie. Stąd też grafenowy tranzystor może być, teoretycznie, nawet 100 razy bardziej wydajny od swojego krzemowego odpowiednika. Problem w tym, że w grafenie ładunki elektryczne poruszają się z taką łatwością, iż trudno je zatrzymać. A tranzystor, żeby był użyteczny, musi sterować przepływem ładunków elektrycznych, a więc je zatrzymywać bądź przepuszczać. Niemcy zauważyli, że jeśli do grafenu zostanie przyłożone pole elektryczne, powoduje ono zmianę właściwości chemicznych materiału, a to z kolei prowadzi do zmiany jego przewodnictwa. Stworzyli więc strukturę podobną do tranzystora: dwie elektrody połączyli za pomocą grafenu, a pomiędzy nimi umieścili trzecią, która była od grafenu oddzielona cienką warstwą dwutlenku krzemu. Gdy do środkowej elektrody przyłożyli napięcie -5 wolt, zauważyli, że przewodność grafenu zmniejszyła się o sześć rzędów wielkości, prowadząc do zatrzymania przepływu prądu. Po przyłożeniu napięcia +5 wolt, przewodność wróciła do normy. Niemcy zbadali dziesiątki podobnie działających urządzeń. Jeden z eksperymentów daje nadzieję, że z grafenu będzie można produkować pamięci nieulotne. Max Lemme, jeden z badaczy, stwierdza, że o ile obecnie wykorzystywane materiały do produkcji układów pamięci są ograniczone wielkością komórki pamięci, w przypadku grafenu niewykluczone jest, że komórka ta mogłaby osiągnąć wielkość pojedynczej molekuły. Sądzę, że możemy ją zmniejszyć do rozmiarów 1 nanometr na 1 nanometr - powiedział. Na razie jednak nie mamy co liczyć na pojawienie się grafenowej elektroniki. Przełączanie stanów w "tranzystorach" jest zbyt powolne, a przed zastosowaniem grafenu do produkcji układów pamięci trzeba najpierw sprawdzić, czy materiał ten jest w stanie wytrzymać setki tysięcy cykli zapisu i odczytu. Naukowcy wciąż też nie wiedzą, jaki jest mechanizm wspomnianych powyżej zmian właściwości grafenu. Przypuszczają, że pole elektryczne powoduje, iż do grafenu przyłącza się grupa hydroksylowa (OH), która zmienia go w tlenek grafenu. To całkowicie kontrolowana reakcja. Nie powoduje ona zniszczenia struktury grafenu. Po prostu odłączamy i dołączamy molekułę, zmieniając właściwości elektryczne materiału - mówi Andre Geim z University of Manchester.

Zespół naukowców z California Institute of Technology w Pasadenie, kierowany przez Ahmeda H. Zewaila informuje o ciekawym zjawisku zarejestrowanym dzięki technice ultraszybkiej mikroskopii elektronowej (ang. Ultrafast Electron Microscopy – UEM). Metoda ta, łącząca mikroskopię elektronową z obserwacją zjawisk przy użycu femtosekundowych impulsów światła laserowego, zapewnia ogromną dokładność, zarówno pod względem precyzji pomiaru czasu, jak i rozdzielczości obrazu. Używając jej, naukowcy zauważyli nietypowe zachowanie mikroskopijnych igiełek kryształów miedzi połączonej z TCNQ (7,7,8,8-tetracyjanochinonodimetanem) – charakterystyczną cechą tego półprzewodnika jest niemal jednowymiarowa budowa cząsteczkowa. Okazało się, że pod wpływem światła laserowego wspomniane kryształy wydłużają się, a po wyłączeniu oświetlenia, wracają one do poprzednich rozmiarów. Innym efektem tego zjawiska są wywołane laserem pęknięcia kryształów, mierzące od 10 do 100 nm. Po ponownym oświetleniu szczeliny te zamykają się, by znów się pojawić gdy laser przestaje działać. Naukowcy informują, że zachowanie to jest w pełni powtarzalne, a siła efektu zależy od ilości dostarczonej energii. Oba zjawiska mogą zostać wykorzystane w przyszłych układach nanoelektronicznych i nanomechanizmach. Dzięki nim budowniczowie takich urządzeń otrzymają bowiem mikroskopijne przełączniki sterowane światłem. Zewail jest pewien, że technika UEM wkrótce dostarczy kolejnych odkryć w takich dziedzinach, jak biologia, nanotechnologia oraz inżynieria materiałowa.

Naukowcy z dwóch sławnych kalifornijskich uczelni – Politechniki Kalifornijskiej (Caltech) oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego z Los Angeles (UCLA) – opracowali rekordowo gęsty układ pamięci. W pojedynczej komórce można przechować 160 kilobitów danych. Gęstość kości wynosi 100 gigabitów na centymetr kwadratowy, a uczeni informują, że możliwe jest jej zwiększenie do 1000 gigabitów na cm2. Nowa technologia nieprędko jednak zagości w naszych domach. Jak mówi szef zespołu badawczego, profesor chemii James Heath, w tej chwili chcemy się po prostu nauczyć, jak produkować działające obwody elektroniczne w skali molekularnej. Sukces amerykańskich naukowców oznacza, że ważność prawa Moore'a (sformułowane w 1965 roku przez Gordona Moore'a, współzałożyciela Intela, głosi, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 18-24 miesiace) zostanie przedłużona do roku 2020. Dotychczasowe postępy techniki wskazywały, że straci ono ważność około 2013 roku. Wspomniane 160 000 bitów w komórce ułożonych jest na czymś, co przypomina kratę. Składa się ona z 400 silikonowych kabli, które przecinają 400 kabli tytanowych. Pomiędzy krzyżującymi się kablami umieszczono warstwę molekularnych przełączników. Każde skrzyżowanie reprezentuje 1 bit. Szerokość takiego bita wynosi zaledwie 15 nanometrów, czyli 1/10 000 grubości ludzkiego włosa. Dla porównania, analogiczny element w obecnie stosowanych najgęstszych układach ma szerokość 140 nm. Każdy z molekularnych przełączników, zwany rotaksanem, składa się z dwóch elementów: molekularnego pierścienia, który obejmuje molekułę w kształcie sztangi. Pierścień umieszczony jest na "gryfie” sztangi. Przełączanie powoduje zmianę położenia pierścienia, który przesuwa się raz bliżej jednej, raz drugiej, strony molekuły. Zmiana pozycji pierścienia powoduje zmianę przewodnictwa całego przełącznika. W ten sposób właśnie reprezentowane są wartości 0 i 1.