Znajdź zawartość

Od dekad to krzem pozostaje głównym materiałem konstrukcyjnym elektroniki, mimo że jest to coraz trudniejsze, producenci coraz bardziej zwiększają gęstość upakowania krzemowych elementów, zachowując prawo Moore'a. Ale już niedługo zdolność krzemowej technologii do rozwoju skończy się nieodwracalnie: negatywne zjawiska towarzyszące miniaturyzacji zastopują ją najdalej za dziesięć lat, być może nawet wcześniej - z powodu wykładniczo rosnących kosztów wdrażania coraz precyzyjniejszych technologii. Materiałem, w którym od lat upatruje się kandydata na następcę krzemu jest grafen. Niestety, ze względu na całkowicie odmienne właściwości (nie do końca przy tym poznane) nie da się go tak po prostu użyć w miejsce krzemu, konieczne jest opracowanie technologii dosłownie od zera. Chociaż więc po grafenie oczekuje się, że pozwoli na tworzenie układów scalonych mniejszych i szybszych, na razie gra toczy się nie o to, żeby zrobić lepiej, ale żeby w ogóle zrobić cokolwiek. Od laboratorium do fabryki - daleka droga Przez długie lata większość badań koncentrowała się na tzw. grafenie eksfoliowanym. Pierwsze płatki grafenu uzyskano odrywając z grafitu pojedynczą warstwę atomów przy pomocy taśmy klejącej. To co wystarcza naukowcom dla producentów jest jednak niczym - im potrzeba materiału łatwego w wytwarzaniu i obróbce, pewnego, zachowującego się przewidywalnie i skalowalnego. Materiałem, w którym również upatrywano kandydata były węglowe nanorurki - rurki złożone z pojedynczej warstwy atomów węgla. Mimo zadziwiających właściwości ich praktyczne zastosowanie pozostaje żadne: trudno je wytwarzać w pożądany i przewidywalny sposób. Zajmujący się nanorurkami naukowiec Georgia Tech, Walt de Heer, uznał, że nigdy nie nadadzą się one do zastosowań przemysłowych, przynajmniej w dziedzinie elektroniki. Zauważył jednak, że skoro ich właściwości elektryczne wynikają głównie z istnienia pojedynczej warstwy atomów, praktyczniej będzie taką rurkę rozwinąć i rozpłaszczyć, czyli wyhodować na płaskiej powierzchni. Stąd wziął się pomysł, a potem technologia produkcji grafenu epitaksjalnego, czyli hodowanego na odpowiednio przygotowanej powierzchni. Technika ta pozwala na przeniesienie charakterystyki warstwy bazowej na strukturę atomową tworzonej warstwy epitaksjalnej. Materiałem bazowym jest powszechnie stosowany węglik krzemu, do którego można stosować znane już technologie wytwarzania elektroniki. Przez umiejętne podgrzewanie powoduje się migrację atomów krzemu, pozostawiając sam węgiel - czyli uzyskuje się precyzyjnie kontrolowaną warstwę grafenu. Tą metodą udało się wyprodukować siatkę składającą się z 10 tysięcy grafenowych tranzystorów na powierzchni 0,24 cm2 - to rekord, którym szczyci się Georgia Tech. Warstwy grafenu, jakie wytwarzane są w laboratoriach, poddawane są skrupulatnym badaniom. Epitaksjalny grafen dra de Heera zachowuje się niemal doskonale tak, jak wynika z teoretycznych symulacji, pozwalając zaobserwować oczekiwane właściwości, na przykład występowanie kwantowego efektu Halla. Obok prac nad skalowalnością procesu, równie ważne są prace nad tworzeniem struktur wielowarstwowych. Niedawno udało się wykazać, że dodawanie nowych warstw nie zakłóca właściwości warstw już istniejących. Ciekawostką jest to, że taki wielowarstwowy grafen jest czymś innym od grafitu: w graficie kolejne warstwy atomów obrócone są o 60º. W wielowarstwowym grafenie zaś o 30º - czyli jest to całkowicie nowy materiał. Epitaksjalne wytwarzanie grafenowych warstw pozwoliło ominąć jeszcze jedną technologiczną trudność. Podczas wykorzystywania innych technologii problemem były nierówne krawędzie nanoelementów. Ponieważ właściwości grafenu mocno zależą od jego kształtu (potrafi on nawet być raz przewodnikiem a raz półprzewodnikiem), jeśli krawędzie grafenowych elementów nie były idealnie gładkie, pojawiały się niepożądane opory w przepływie prądu, upływy itp. Technologia epitaksji pozwala zachować idealne krawędzie. Do ciekawostek należą odnalezione we współpracy z NIST (National Institute of Standards and Technology) właściwości grafenu pozwalające wpływać na jego właściwości przy pomocy precyzyjnie aplikowanych pól magnetycznych. Grafen - Concorde elektroniki Czy zatem grafen zastąpi krzem? Według zajmujących się nim naukowców po pierwsze nie tak szybko, po drugie nie do końca. Niekompatybilność właściwości starego i nowego materiału nie pozwoli tak po prostu przesiąść się na nowe technologie, które początkowo będą drogie. De Heer uważa, że przez długi czas krzem i grafen będą koegzystować - krzem w roli elektroniki popularnej i niedrogiej, grafen - do bezkompromisowych zastosowań, jak choćby bardzo zminiaturyzowane i szybkie układy, nie do osiągnięcia na bazie krzemu. Posługując się analogią sądzi on, że wchodzenie nowej technologii podobne będzie do rywalizacji lotnictwa z transportem morskim i kolejowym. Rozwijające się lotnictwo pasażerskie, pomimo wysokich cen, miało chętnych, dla których była ważniejsza szybkość. Do dziś jednak, mimo spadku cen i coraz większej masowości, stare metody transportu nie zanikły i wciąż się rozwijają.

Jednym ze sposobów redukowania emisji dwutlenku węgla ma być jego wychwytywanie bezpośrednio w miejscu powstawania - na przykład w kominie - celem późniejszego składowania. Efektywne i niekosztowne wyłapywanie tego gazu nastręcza jednak spore trudności. Nadzieją na rozwiązanie kłopotów jest projekt amerykańskiego Georgia Tech. Wyłapany w miejscu produkcji dwutlenek węgla można później, według projektów, składować w pokopalnianych wyrobiskach pod ziemią, rozpuszczać w oceanie (co w świetle ostatnich badań nie wydaje się dobrym pomysłem), są też ciekawsze pomysły, jak wtłaczanie go pod ziemię, gdzie miałby ulegać przemianie w skały. Problematyczne jest jednak jego wychwytywanie, a dokładniej sprawność tego procesu. O ile istnieją skuteczne sorbenty, pochłaniające CO2, to ten gaz trzeba później z nich jakoś wydobyć, co nastręcza sporo kłopotów. Dobrymi pochłaniaczami są materiały aminowe, jednak istniejące do tej pory metody odzysku dwutlenku węgla były kosztowne energetycznie i nienadające się do zastosowań przemysłowych. Opierały się najczęściej na podgrzewaniu nasyconego sorbentu w obecności gazowego azotu lub helu. W efekcie jednak otrzymywało się mieszankę tych gazów. Inne sposoby, jak ogrzewanie w samym dwutlenku węgla powodowały niszczenie materiału pochłaniaczy. Inżynierowie z Georgia Institute of Technology znaleźli nowy, lepszy sposób, nadający się do szerokiego wykorzystania i niekosztowny energetycznie. Polega on na wygrzewaniu porowatego sorbentu w strumieniu przegrzanej pary wodnej, o temperaturze około 105ºC. Gorąca para rozrywa wiązania chemiczne, uwalniając CO2. Z tak powstałej mieszanki, po skropleniu pary, łatwo już oddzielić zagęszczony dwutlenek węgla. Co istotne, para o tej temperaturze nie ma praktycznego zastosowania, wykorzystanie jej zatem do procesu wychwytu gazu cieplarnianego stanowi bardzo niewielki koszt. Przy tym para wodna powstaje w bardzo wielu zakładach spalających paliwa kopalne, zwłaszcza w elektrowniach węglowych. Jest zatem dostępna bez dodatkowych inwestycji tam, gdzie proces ten przydatny jest najbardziej. Przetestowano trzy rodzaje stosowanych sorbentów CO2, we wszystkich wypadkach proces był skuteczny. Konieczne są jeszcze badania nad wytrzymałością materiałów pochłaniających, co od początku było największą wątpliwością podczas prób. Na razie udowodniono, że pomyślnie wytrzymują kilkukrotny proces pochłaniania i oddawania gazu w strumieniu pary. Dla zastosowań przemysłowych muszą one jednak wytrzymywać tysiące takich cykli. Powstała już pierwsza, testowa instalacja przemysłowa według tej koncepcji, wdrożona we współpracy z firmami SRI International oraz Global Thermostat.

Grafen - strukturalną odmianę węgla tworzącą warstwy o grubości zaledwie jednego atomu, odkryto zaledwie sześć lat temu. Od tego czasu zrewolucjonizował on wiele kierunków nauki i techniki i wydaje się być najbardziej obiecującym i uniwersalnym materiałem przyszłości. To z niego tworzą się słynne fulereny, czy węglowe nanorurki. Jak się okazuje, do badań nad jego właściwościami można będzie wykorzystać efekt mory. Prążki mory (moiré) to efekt powstający w wyniku nałożenia na siebie dwóch regularnych wzorów, które są względem siebie przesunięte lub obrócone o niewielki kąt. W naturze możemy go obejrzeć na przykład nakładając na siebie dwa sitka, albo dwie firanki i poruszając nimi - powstaje wtedy trzeci, regularny wzór. Widać ją też na ekranie telewizora, gdy ktoś ma na sobie ubranie w drobną kratkę, albo jodełkę. Mora często jest utrapieniem dla grafików, pojawiając się przy skanowaniu, drukowaniu materiałów, fotografii cyfrowej, czy komputerowej obróbce grafiki. Efekt mory, który jest w zasadzie po prostu zakłóceniem - interferencją, można jednak wykorzystać, przykładowo znając wzór jednej warstwy i analizując wzór tworzony przez morę można wydedukować wzór drugiej warstwy. Tę sztuczkę postanowili wykorzystać w praktyce naukowcy z amerykańskiego Instytutu Technologii stanu Georgia i Narodowego Instytutu Standardów i Technologii. Grafen, który jest płaską, bo o grubości jednego atomu, warstwą węgla, doskonale się do tego nadaje, ponieważ tworzy regularny, sześciokątny wzór. Jeśli nałożymy go na drugą warstwę grafenu, albo innego materiału o regularnej budowie, to każde odkształcenie powierzchni, przesunięcie, przekręcenie czy wygięcie - poskutkuje powstaniem w tym miejscu interferencyjnych prążków mory. Badacze stworzyli w tym celu warstwy grafenu na powierzchni węglika krzemu (inaczej zwanego karborundem). Uzyskano ją przez jednostronne podgrzewanie karborundu: usunęło to krzem i pozostawiło same atomy węgla. Przy wykorzystaniu tunelowego mikroskopu skaningowego można było obserwować nałożone na siebie warstwy grafenu i rejestrować prążki mory powstające przy najmniejszych zmianach zachodzących w obserwowanej strukturze (zobacz ilustrację). Nazwano ten sposób „atomową interferometrią mory". Wykorzystana w badaniu technika pomiarowa jest tak dokładna, że pozwala wykryć odkształcenia rzędu 0,1% w odległościach pomiędzy atomami węgla. Projekt był częścią badań mających na celu dokładne poznanie właściwości grafenu, który w przeciwieństwie do innych materiałów nie rozciąga się, lecz raczej marszczy podczas zmian temperatury. Opracowana „atomowa interferometria mory" pozwoli np. na dokładne analizowanie i śledzenie przebiegu ładunków elektrycznych, czy rozchodzenia się ciepła i stanowić będzie wyśmienite narzędzie podczas prac nad stworzeniem grafenowych układów elektronicznych. Przydatna może być również do wykrywania i badania mikroskopowych naprężeń w innych materiałach. Autorami pracy na ten temat są D. Miller, K. Kubista, G. Rutter, M. Ruan, W. de Heer, P. First oraz J. Stroscio, pracownicy National Institute of Standards and Technology oraz Georgia Institute of Technology.

Nowy materiał wynaleziony na Georgia Tech może pomóc w rozpowszechnieniu się ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC). Urządzenia takie są w stanie produkować energię elektryczną z niemal wszystkich płynnych i gazowych substancji, jednak ich poważną wadą jest wysoka temperatura pracy, sięgająca 1000 stopni Celsjusza. Dzięki wysokim temperaturom pracy ogniwa są wydajne i nie wymagają użycia drogiego platynowego katalizatora. Wysokie temperatury zapobiegają też gromadzeniu się na anodzie siarki i węgla z "brudnego" paliwa. W SOFC wykorzystuje się anodę z tlenku cyrkonu stabilizowanego itrem (YSZ) połączonego z metalicznym niklem, a elektrolitem jest również YSZ. Taka budowa ma trzy podstawowe wady. Pierwsza, to olbrzymia wrażliwość na siarkę, która powoduje znaczny spadek wydajności ogniwa, po drugie, osadzający się węgiel z paliw węglowodorowych zaburza prawidłową pracę anody, a trzecia wada to ograniczone przewodnictwo w niskich temperaturach. Wszystko to znacząco podnosi koszty budowy SOFC. Paliwo musi zostać oczyszczone z siarki i konieczne jest przeprowadzenie reformingu parowego, który zamienia węglowodory w tlenek węgla i wodór. Ponadto wysokie temperatury pracy wymagają użycia drogich materiałów. Nowy ceramiczny materiał, z którego zbudowano anodę, został opracowany przez zespół Meilina Liu. Umożliwia pracę SOFC przy znacznie niższych temperaturach bez utraty wydajności i odkładania się siarki oraz węgla. BZCYYb (bar-cyrkon-cer-itr-tlenek iterbu), bo o nim mowa, może być używany w bardzo różny sposób. Można nim pokryć tradycyjną anodę Ni-YSZ, zastąpić nim YSZ w anodzie lub też w elektrolicie. Zdaniem profesora Liu, najbardziej opłacalne są dwa pierwsze rozwiązania. Dotychczasowe testy trwały 1000 godzin i wykazały, że BZCYYb zapewnia stałą, wysoką wydajność ogniwa. Konieczne jest jednak udowodnienie, że nowy materiał może bez przeszkód pracować przez pięć lat. Na tyle bowiem oblicza się żywotność obecnych ogniw SOFC. Co więcej, profesor Liu mówi, że z jego produkcją i jej skalowaniem nie powinno być najmniejszych kłopotów. BZCYYb powstaje podczas standardowych reakcji, a sposób jego tworzenia się jest w pełni zrozumiały. Uczeni nie wiedzą za to, dlaczego nowemu materiałowi nie szkodzą siarka i węgiel. Spekulują, że reakcja katalityczna jest w jego przypadku bardziej intensywna i dochodzi podczas niej zarówno do utlenienia siarki jak i do krakowania i reformowania węglowodorów. Nowy materiał charakteryzuje również dobre przewodnictwo w niskich temperaturach. Jeśli będziemy mogli obniżyć temperatury pracy do 500-600 stopni Celsjusza, moglibyśmy użyć tańszych metali do wykonania połączeń. Obniżenie temperatury do 300-400 stopni umożliwiłoby wykorzystanie znacznie tańszych materiałów na obudowy, co znacząco obniżyłoby koszty samych ogniw - mówi profesor Liu. Obecnie badania nad ogniwami SOFC są znacznie mniej zaawansowane niż nad innymi typami ogniw. Profesor Liu uważa jednak, że to właśnie SOFC podbiją rynek. Nie wymagają one bowiem wykorzystania metali szlachetnych i, po wyposażeniu w systemy odzyskiwania ciepła odpadowego, mogą osiągać wydajność nawet 80%.

Taniec pszczół zainspirował naukowców z Georgia Institute of Technology do zwiększenia... wydajności serwerów internetowych. Uczonych zainteresowało, w jaki sposób pszczoły, dysponując ograniczonymi zasobami i nie posiadając jednego centralnego ośrodka, który organizuje ich pracę, są w stanie tak efektywnie zebrać duże ilości nektaru. Akademicy, badając ich taniec, opracowali nowy system komunikacyjny dla serwerów. Umożliwia on serwerom, które zostały skonfigurowane do pojedynczego zadania, przełączanie się w miarę potrzeb pomiędzy różnymi zadaniami bez ryzyka przeciążenia i odcięcia od swoich zasobów użytkowników. Przeprowadzone testy wykazały już, że zastosowanie „pszczelego algorytmu” zwiększyło wydajność serwerów bankowych od 4 do 25 procent. Rezultaty badań zostały opisane w piśmie „Bioinspiracja i biomimetyka” (Bioinspiration and Biomimetics). Profesor Craig Tovey zauważył, że pszczoły i serwery muszą borykać się z podobnymi ograniczeniami, jeśli chodzi o wydajność. Od lat badam pszczoły i zastanawiałem się, jak wykorzystać moją wiedzę w praktyce. Jeśli pracujesz nad biomimetyką musisz szukać ścisłych analogii pomiędzy dwoma systemami, a nie patrzeć, który jest doskonalszy. A tu zachodzi taka właśnie analogia – mówi Tovey. Swoje spostrzeżenia przedyskutował z Sunilem Narkanim z University of Oxford. Obaj stwierdzili, że strategie, jakie pszczoły przyjmując radząc sobie z zarządzaniem ograniczonymi zasobami w nieprzewidywalnym i ciągle zmieniającym się środowisku, można zastosować do serwerów pracujących w Internecie. Ograniczona liczba pszczół musi polecieć do kwiatów, zebrać nektar, wrócić z nim do ula i powtarzać te czynności tak długo, jak w danym miejscu można nektar znaleźć. Czasami trzeba zebrać więcej nektaru, czasami mniej. Tymczasem środowisko, w którym pracują, ciągle się zmienia. Różne kwiaty kwitną o różnych porach i dają różne ilości nektaru. Bardzo dużo zależy też od warunków pogodowych. Podobnie działają serwery. Muszą obsłużyć klienta, który się z nimi łączy i odpowiedzieć na wszystkie jego zapytania. I podobne działania przeprowadzają w przypadku każdego z klientów. Liczba klientów zmienia się w zależności od pory dnia lub pewnych wydarzeń (np. po przeprowadzeniu przez firmę kampanii reklamowej, serwery muszą zwykle obsłużyć znacznie więcej klientów). Pszczoły radzą sobie w następujący sposób: zwiadowca poszukuje nektaru, a gdy go znajdzie, wraca do ula i za pomocą tańca (taniec pszczół to jedyny, oprócz języka ludzi, znany nam dwuklasowy system znaków) informują inne pszczoły o lokalizacji nektaru, jego ilości i właściwościach. Wtedy do źródła leci odpowiednia liczba pszczół. Jeśli nie zbiorą wszystkiego, to po powrocie do ula nadal wykonują swój taniec. Pokazują go aż do wyczerpania zasobów nektaru, albo do czasu, gdy inny zwiadowca wróci z informacją, że w innym miejscu znalazł jeszcze lepszy nektar. Dzięki takiemu systemowi pszczoły otrzymują na bieżące aktualizowane informacje o źródłach nektaru i mogą kierować się tam, gdzie zbiorą najwięcej najlepszego pożywienia. A wszystko to odbywa się bez centralnego sterowania, które tylko opóźniałoby proces przekazywania informacji. Serwery internetowe zwykle skonfigurowane są tak, by dobrze sprawowały się w normalnych warunkach pracy. Do obsługi dużych witryn zwykle przypisanych jest wiele maszyn. Gdy nagle pojawia się olbrzymia liczba klientów, mogą mieć one problem z ich obsłużeniem, jednak gdy liczba klientów jest niższa od przeciętnej, serwery pozostają bezczynne. W tym czasie serwery, które obsługują inne części tej samej witryny mogą mieć problemy z nadążeniem z odpowiedzią na zapytania przesyłane przez podłączone do Sieci komputery. Tovey i Nakrani opracowali rodzaj „sali tanecznej” dla serwerów. Gdy któryś z nich otrzymuje zapytanie od użytkownika, umieszcza w „sali tanecznej” zaproszenie do współpracy dla innych maszyn. Na zaproszenie odpowiadają serwery, które akurat mają mniej pracy. Im żądanie klienta jest bardziej skomplikowane, a korzyści osiągnięte z jego obsłużenia większe, tym dłużej ważne jest zaproszenie. A im dłużej zaproszenie jest ważne, tym więcej serwerów przyłącza się do jego obsługi. Dzięki takiemu rozwiązaniu można efektywnie zarządzać mocą dostępnych serwerów i tak nimi kierować, by te, które akurat mają mniej pracy, wspomogły te najbardziej zapracowane.

Naukowcy z politechniki w Georgii opracowali technologię, która pozwala na wyjątkowo szybkie bezprzewodowe przesyłanie danych. Obecnie stosowane technologie pozwalają na transfery rzędu od 11 do 54 megabitów na sekundę (standardy 802.11 b/g, które korzystają z pasma o częstotliwości 2,4 GHz) oraz 54 Mb/s (standard 802.11a, 5,8 GHz). Amerykańskim uczonym udało się bezprzewodowo przesłać dane z prędkością 15 gigabitów na sekundę. Taką prędkość uzyskano na odległość 1 metra. Przy zwiększeniu odległości do 2 m prędkość przesyłu danych spada do 10 Gb/s, a przy 5 metrach – do 5 Gb/s. Dane przesłano w paśmie 60 GHz. Jego olbrzymią zaletą jest fakt, że jest ono wolne, czyli nie korzysta z niego obecnie żadna instytucja ani stacje radiowe. Z kolei zarówno zaletą jak i wadą jest fakt, że fale o tej częstotliwości są z łatwością blokowane przez ciała stałe, a nawet przez organizm człowieka. Opracowana na Georgia Tech technologia może zostać więc wykorzystana np. do stworzenia w miejscach publicznych urządzeń sprzedających np. filmy. Pobranie całego DVD na urządzenie przenośne czy laptop trwałoby sekundy. Z powodu blokowania fal na częstotliwości 60 GHz nie będzie można tej techniki wykorzystać do budowy rozległych sieci, ale świetnie sprawdzi się ona do stworzenia bezprzewodowych sieci w biurze czy w domu. Oprócz dużych prędkości przesyłu danych zyskamy też bezpieczeństwo, gdyż fale nie będą przenikały na zewnątrz pomieszczeń, więc podsłuch będzie trudniejszy, niż podsłuchanie obecnie wykorzystywanych standardów bezprzewodowych. Co więcej uczeni z Georgia Tech obiecują, że w ciągu najbliższych 24 miesięcy podwoją prędkość przesyłu danych. Międzynarodowy Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) pracuje nad standardem 802.15.3C, który będzie określał zasady korzystania z pasma 60 GHz.