Znajdź zawartość
Wyświetlanie wyników dla tagów 'krzem' .
Znaleziono 48 wyników
-
Podczas ubiegłotygodniowej konferencji SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation specjaliści zachwycali się najbardziej idealnymi kulami znanymi człowiekowi. Dwie takie krzemowe kule zostały wykonane przez Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO). Posłużą one do ponownego zdefiniowania kilograma. Obecnie wzorzec kilograma jest jedyną miarą, która ma swój odpowiednik tylko i wyłącznie w fizycznym obiekcie. Taka metoda definiowania jest jednak daleka od doskonałości. Pierwotny wzorzec zmienia swoją wagę, a każda z jego kopii wykazuje jeszcze inne wahania wagi. Dlatego też postanowiono, że w 2011 roku Międzynarodowy Komitet Miar i Wag przygotuje nową definicję kilograma. Ma się ona opierać na liczbie atomów krzemu. Jednak, by sprawdzić, ile atomów krzemu mieści się w jednym kilogramie, trzeba je policzyć używając konkretnego obiektu. Stąd też pomysł wyprodukowania idealnych kul. Było to prawdziwie międzynarodowe przedsięwzięcie. Najpierw w Rosji oczyszczano krzem w centryfugach używanych za czasów ZSRR do oczyszczania uranu. Wirówki oddzielały od siebie poszczególne izotopy krzemu, dzięki czemu uzyskano wyjątkowo czysty krzem-28. Z Rosji materiał trafił do niemieckiego narodowego instytutu metrologicznego, gdzie próbowano z niego utworzyć gigantyczny kryształ. Po sześciu próbach w końcu się udało. Kryształ przecięto na dwa 5-kilogramowe kawałki i dostarczono do CSIRO. Australijskie Centrum Optyki Precyzyjnej poprosiło o pomoc emerytowanego inżyniera Achima Leistnera, który przez kilkadziesiąt lat zajmował się tworzeniem precyzyjnych kul. Po zakończeniu pracy nad kulami krzemowymi Leistner stwierdził, że to jego najlepsze dzieła. Precyzja prac rzeczywiście zadziwia. Średnica każdej z kul wynosi 93,75 milimetra, a ich waga odpowiada australijskiemu wzorcowi kilograma. Nierówności na powierzchni kul nie przekraczają 0,3 nanometra, a odchylenie od idealnej krzywizny wynosi 60-70 nanometrów. Leistner mówi, że gdyby kule powiększyć do wielkości Ziemi, to nierówności na jej powierzchni wynosiłyby 12-15 milimetrów, a odchylenie od idealnej krzywizny to 3-5 metrów. Teraz przez najbliższych kilka lat naukowcy z Włoch, Belgii, Japonii i USA będą liczyli atomy w każdej z kul. To kolejne trudne zadanie. Uczeni użyją optycznych interferometrów i zmierzą szerokość każdej z kul z 60 000 różnych punktów na jej powierzchni. Z kolei specjaliści od krystalografii będą prześwietlali kule promieniami X, by ustalić odległości dzielące poszczególne atomy. Z tak uzyskanych danych każda z grup naukowców wyliczy liczbę atomów krzemu w kulach. Najważniejsze, by ich obliczenia się zgadzały. Wówczas będzie można zdefiniować kilogram. Jednak nawet wówczas przyjęcie nowej definicji wcale nie będzie pewne. Niektórzy metrolodzy nie zgadzają się bowiem z takim definiowaniem kilograma. Ich zdaniem oznacza ono zastąpienie definicji jednego fizycznego obiektu drugim. Proponują oni, by kilogram zdefiniować za pomocą proponowanego przez amerykańskich uczonych z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), tzw. balansowania wata (watt balance). Umożliwi on zdefiniowanie kilograma w kategoriach pól magnetycznych i sił elektrycznych. Zwolennicy takiego podejścia argumentują, że energię potrafimy mierzyć bardziej precyzyjnie niż właściwości fizyczne. Problem w tym, że dotychczas metoda balansowania wata daje dwa różne wyniki.
-
Naukowcom z Instytutu Optyki University of Rochester udało się zmusić wodę by krążyła w pionie, wspinając się po krzemowej powierzchni bez pomocy pomp i innych urządzeń mechanicznych. Ich odkrycia mogą w przyszłości posłużyć do produkcji nowych systemów chłodzenia układów scalonych. Chunlei Guo i Anatoliy Vorobyev, o których pracy informowaliśmy w ubiegłym roku, wykorzystali wyjątkowo krótkie, silne impulsy lasera do stworzenia odpowiednich żłobień na powierzchni krzemu. To właśnie one powodują, że woda pnie się w górę. Przy wielkościach liczonych w skali nano molekuły krzemu oddziałują na molekuły wody silniej, niż inne molekuły wody. To pozwala na przepływ. Stworzenie za pomocą lasera odpowiednich kanałów na powierzchni umożliwia sterowanie tym przepływem. Molekuły wody poruszają się w górę, gdyż każda z nich "chce" zetknąć się z krzemem. Ruch odbywa się z prędkością 3,5 centymetra na sekundę.
-
Po dziesięciu latach pracy naukowcom z Princeton University udało się skonstruować system, który pozwala na kontrolowanie spinu elektronów w krzemie nawet przez 10 sekund. Wydłużenie czasu, w którym można kontrolować spin elektronów jest niezbędne do skonstruowania praktycznego komputera kwantowego. Dotychczas udawało się utrzymać spin elektronów przez ułamki sekund. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe i pod wpływem czynników zewnętrznych dochodzi do ich utraty, czyli dekoherencji. Kwantowy bit, na którym mają pracować kwantowe komputery, traci swoje właściwości i staje się „zwykłym“ bitem, przyjmującym w danym momencie tylko jedną wartość, zamiast wcześniejszych wszystkich możliwych wartości. Profesor Stephen Lyon i Alexei Tyryshkin, który są autorami najnowszego osiągnięcia, mówią, że kluczem do sukcesu było użycie niezwykle czystej próbki krzemu-28. Częściowo zawdzięczamy to udoskonaleniu metody pomiaru, ale większość zależy od materiału. To najczystsza próbka, jakiej dotychczas używaliśmy - mówi Lyon. Naukowcy zamknęli kawałek krzemu-28 w stalowym cylindrze wypełnionym helem. Wewnątrz panowała temperatura 2 kelwinów. Cylinder znajdował się pomiędzy dwoma pierścieniami, które miały za zadanie kontrolować pole magnetyczne wokół próbki. Po potraktowaniu krzemu mikrofalami doszło do skoordynowania spinów około 100 miliardów elektronów. Zaszła zatem koherencja i została ona utrzymana przez niewiarygodnie długie 10 sekund. Jej utrzymanie jest niezwykle ważne dla komputerów kwantowych, gdyż działające na nich oprogramowanie będzie potrzebowało czasu np. na korekcję błędów czy i operacje na danych. Muszą być one zatem dostępne na tyle długo, by program zakończył pracę z nimi. Stan kwantowy może zostać zniszczony przez naturalne pole magnetyczne materiałów. Dlatego też zdecydowano się na wykorzystanie krzemu-28, który, w przeciwieństwie do tradycyjnie używanego krzemu-25 ma niezwykle słabe pole magnetyczne. Projekt rozpoczął się 10 lat temu. Steve przyszedł do mnie i powiedział, żebyśmy wykorzystali próbkę wolną od innych izotopów - wspomina Tyryshkin. Po trzech latach badań uczeni byli wstanie utrzymać koherencję przez 600 mikrosekund. Przez kolejne lata wypróbowywali różne materiały. W końcu dzięki Avogadro Project, którego celem jest opracowanie nowej definicji kilograma, udało się uzyskać próbkę niezwykle czystego krzemu-28. Międzynarodowa współpraca dała niezwykłe wyniki. Zwykle w krzemie-28 znajduje się nawet 50000 części na milion krzemu-29, do tego dochodzą inne zanieczyszczenia, które mają silne pole magnetyczne. W oczyszczonym krzemie-28 liczba atomów krzemu-29 nie przekracza 50 na milion. Taka próbka była... zbyt czysta. Dodano do niej nieco fosforu, by była ona na tyle aktywna elektrycznie, żeby reagować na mikrofale. To właśnie ta reakcja, którą Lyon i Tyryshkin nazywają „echem“, gdyż są to mikrofale emitowane przez próbkę, pozwala na odczytanie spinu elektronów. Bardzo trudne było znalezienie odpowiedniej liczby atomów fosforu. Ich zbyt duża liczba oznaczałaby powstanie w próbce zbyt silnego pola magnetycznnego. Z kolei za mało fosforu dałoby zbyt słabe „echo“, którego nie można by odczytać. Istotne było też znaczne obniżenie temperatury próbki, gdyż w temperaturze pokojowej elektrony fosforu są zbyt aktywne. „Uspokajają się“ dopiero w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Warto w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej innym zespołom naukowym udało się kontrolować spin elektronów przez równie długi czas. Wykonano nawet pewne operacje matematyczne. Jednak do eksperymentów używano jonów zamkniętych w komorach próżniowych. Lyon i Tyryshkin skupili się na krzemie, gdyż uważają, że jest on znacznie bardziej praktyczny. Współczesna elektronika już wiele dekad temu zrezygnowała przecież z lamp elektronowych na rzecz krzemu.
-
Współpraca naukowców z University of New South Wales, Melbourne University i Purdu University zaowocowała stworzeniem najmniejszego połączenia elektrycznego umieszczonego na krzemie. Ma ono grubość 1 atomu i szerokość 4 atomów. Mimo tak niewielkich rozmiarów transport elektronów odbywa się równie wydajnie co za pomocą tradycyjnego połączenia miedzianego. Osiągnięcie to ma olbrzymie znacznie na wielu polach rozwoju elektroniki i inżynierii. Pozwoli w przyszłości na dalsze zmniejszanie rozmiaru układów scalonych. Ponadto daje nadzieję na wykorzystanie w komputerach kwantowych techniki precyzyjnego wzbogacania krzemu pojedynczymi atomami. Prace australijsko-amerykańskiego zespołu wykazały też, że prawo Ohma ma zastosowanie w skali atomowej. To niesamowite, że Prawo Ohma, prawo tak podstawowe, zostaje zachowane przy budowaniu połączeń elektrycznych z pojedynczych cegiełek natury - stwierdził Bent Weber, jeden z twórców miniaturowych kabli. Badacze podkreślają, że połączenia były tworzone atom po atomie, co znacząco różni się od technik stosowanych we współczesnej elektronice. Obecnie usuwa się nadmiarowy materiał, a to technika trudna, kosztowna i nieprecyzyjna. Gdy schodzi się do wielkości poniżej 20 atomów, mamy do czynienia z takimi różnicami w liczbie atomów, że dalsze skalowanie jest trudne. Ale podczas tego eksperymentu stworzono urządzenie dzięki umieszczaniu pojedynczych atomów fosforu na krzemie i okazało się, że gęsto ułożony przewód o szerokości zaledwie 4 atomów działa tak, jak przewody metalowe - powiedział profesor Gerhard Klimeck z Purdue. Jak poinformowała profesor Michelle Simmons z University of New South Wales, która kierowała badaniami, głównym celem badań jest rozwój przyszłych komputerów kwantowych, w których pojedyncze atomy są wykorzystywane do przeprowadzania obliczeń.
-
Szwajcarscy uczeni z École Polytechnique FÉdÉrale de Lausanne (EPFL), którzy na początku bieżącego roku poinformowali o świetnych właściwościach molibdenitu, materiału mogącego stać się konkurencją dla krzemu i grafenu, właśnie zaprezentowali pierwszy układ scalony zbudowany z tego materiału. Zbudowaliśmy prototyp, umieszczając od dwóch to sześciu tranzystorów i udowadniając, że możliwe jest przeprowadzenie podstawowych operacji logicznych. To dowodzi, że można zbudować większy układ - mówi profesor Andras Kis, dyrektor Laboratorium Nanoskalowych Struktur i Elektroniki (LANES). Uczony wyjaśnia, że molibdenit umożliwia budowanie mniejszych tranzystorów niż krzem. Obecnie nie można tworzyć warstw krzemu cieńszych niż 2 nanometry, gdyż istnieje ryzyko ich utlenienia się, co negatywnie wpływa na właściwości elektryczne materiału. Z molibdenitu można tworzyć efektywnie działającą warstwę o grubości zaledwie 3 atomów. Jest ona bardzo stabilna i łatwo w niej kontrolować przepływ elektronów. Ponadto molibdenitowe tranzystory są bardziej wydajne. Przełączają się też szybciej niż tranzystory krzemowe. Jak informuje profesor Kis, molibdenit równie efektywnie jak krzem wzmacnia sygnał elektryczny. Sygnał wyjściowy może być czterokrotnie silniejszy niż sygnał wejściowy. A to oznacza, że możliwe jest produkowanie bardzo złożonych układów. Dla grafenu ta wartość wynosi około 1. Poniżej tej wartości sygnał wyjściowy będzie zbyt słaby, by pobudził do pracy następny, podobny układ - mówi Kis. Molibdenit, w przeciwieństwie do krzemu, ma interesujące właściwości mechaniczne, które być może pozwolą na produkowanie elastycznych układów scalonych.
-
Na Northwestern University powstała nowa anoda dla akumulatorów litowo-jonowych. Umożliwia ona przechowywanie 10-krotnie więcej ładunku niż obecne elektrody, a sam akumulator można załadować 10-krotnie szybciej. Odkryliśmy sposób na dziesięciokrotne wydłużenie życia baterii litowo-jonowej. Nawet po 150 cyklach ładowania/rozładowywania, co zajmie rok lub więcej, nasz akumulator będzie pięciokrotnie bardziej wydajny niż współcześnie stosowane rozwiązania - mówi profesor Harold H. Kung. Współczesne baterie litowo-jonowe działają dzięki przesyłaniu jonów litu pomiędzy dwoma elektrodami - anodą i katodą. Gdy używamy energii, jony litu przemieszczają się z anody, przez elektrolit, do katody. Gdy ładujemy akumulator, podróż odbywa się w odwrotną stronę. Obecnie wydajność akumulatorów Li-Ion jest ograniczona dwoma czynnikami. Ich pojemność zależy od tego, jak wiele jonów litu może przechować anoda lub katoda. Z kolei prędkość rozładowywania, a zatem dostarczania energii, zależy od prędkości przemieszczana się jonów pomiędzy elektrolitem a anodą. We współczesnych akumulatorach anoda wykonana jest z węgla i na każde 6 jego atomów przechowuje jeden atom litu. Eksperymentowano z zastąpieniem węgla krzemem, który ma większą pojemność, gdyż przechowuje atom litu na każde 4 atomy krzemu. Jednak podczas pracy krzem znacznie zmienia swoje rozmiary, co prowadzi do uszkodzenia elektrody i spadku pojemności baterii. Ponadto poszczególne warstwy węgla w elektrodzie są bardzo cienkie, jednak długie. Podczas procesu ładowania każdy jon musi przebyć całą drogę od krawędzi by dotrzeć do kolejnych warstw. To zajmuje sporo czasu, a ponadto powoduje, że na krawędziach powstaje „korek" z jonów oczekujących na możliwość wyruszenia w drogę. Zespół Kunga postanowił za jednym zamachem rozwiązać oba problemy. Po pierwsze warstwy krzemu poprzedzielał warstwami węgla. Mamy dzięki temu znacznie większą pojemność energii, gdyż wykorzystaliśmy krzem, a jego poprzedzielanie zmniejszyło straty pojemności spowodowane rozszerzaniem się i kurczeniem krzemu - wyjaśnia Kung. Uczeni wykorzystali też proces utleniania do uzyskania niewielkich (10x20 nanometrów) dziur w warstwach węgla. Dziury te tworzą skróty, dzięki którym jony litu nie muszą podróżować przez całą warstwę. Pozwoliło to na 10-krotne skrócenie czasu ładowania baterii. Po udoskonaleniu anody uczeni chcą zająć się pracami nad katodą. Mają też zamiar opracować nowy elektrolit, który będzie powodował, że w wysokich temperaturach akumulator automatycznie przerwie pracę, dzięki czemu będzie bezpieczniejszy w użytkowaniu. Technologia Kunga i jego zespołu powinna trafić na rynek w ciągu 3-5 lat.
-
Na Georgia Institute of Technology powstała technika tworzenia wysokiej jakości warstw epitaksjalnego grafenu na plastrach węgliku krzemu. Nowa technika polega na ścisłym kontrolowaniu ciśnienia gazowego krzemu. Obecnie uzyskuje się cienkie warstwy grafenu na węgliku krzemu w warunkach próżni, w temperaturze około 1500 stopni Celsjusza. To powoduje odparowanie krzemu i pojawienie się warstwy węgla. Jednak niekontrolowane parowanie prowadzi do uzyskania grafenu niskiej jakości. Precyzyjnie kontrolując tempo uwalniania się krzemu z plastra możemy kontrolować tempo produkcji grafenu. To pozwala nam na uzyskanie bardzo ładnych warstw epitaksjalnego grafenu - powiedział wynalazca nowej techniki, profesor Walt de Heer. Uczony wraz z zespołem rozpoczęli od umieszczenia plastra węgliku krzemu w grafitowym opakowaniu. Znajduje się w nim niewielki otwór, który pozwala na kontrolowanie tempa parowania krzemu, utrzymując parowanie i kondensację mniej więcej w równowadze. Wzrost epitaksjalnego grafenu jest możliwy albo w próżni, albo w obecności obojętnego gazu, takiego jak argon. Epitaksjalny grafen może stać się bazą dla nowej generacji wysoko wydajnych urządzeń tam, gdzie ich wyjątkowa wydajność usprawiedliwia wysoki koszt. Zdaniem de Heera w tańszych, mniej wydajnych urządzeniach nadal będzie dominował krzem.
-
W Science ukazał się artykuł, w którym naukowcy z California Institute of Technology opisują, w jaki sposób poradzili sobie jedną z najpoważniejszych przeszkód stojących na drodze do produkcji i upowszechnienia fotonicznych układów scalonych. Uczonym opracowali nową technikę izolowania sygnałów świetlnych na krzemowym układzie scalonym. Kości fotoniczne, w przeciwieństwie do układów elektronicznych, do przesyłania danych i wykonywania obliczeń będą wykorzystywały fotony. Co prawda światło już teraz służy do przesyłania danych za pomocą światłowodów, jednak w samym komputerze sygnały świetlne zamieniane są na znacznie mniej efektywne sygnały elektryczne. Izolowane sygnały świetlne mogą podróżować tylko w jednym kierunku. Jeśli nie będą one izolowane, fotony odbierane i wysyłane pomiędzy różnymi częściami fotonicznego układu będą na siebie wpływały, zajdzie pomiędzy nimi interferencja, a zatem całość będzie niestabilna. W układzie elektrycznym do odseparowania sygnałów służy dioda. Należy więc stworzyć jej fotoniczny odpowiednik. To coś, czego naukowcy szukają od 20 lat - mówi Liang Feng z Caltechu, pracujący pod kierunkiem profesora Axela Scherera. Promień świetlny ma takie same właściwości gdy porusza się w jednym kierunku, jak i wówczas, gdy zostanie odbity i wraca. Aby izolować dane fotoniczne trzebaby w jakiś sposób zmienić właściwości promienia podążającego w przeciwnym kierunku. Dopiero wówczas można by skonstruować urządzenie blokujące światło o właściwościach odpowiadających właściwościom światła odbitego, a zatem spowodować, by podróżowało ono w jednym kierunku. Do odseparowania światła Feng i jego koledzy wykorzystali nowy typ optycznego falowodu o przekroju 0,8 mikrona, który został zbudowany z krzemu. Falowód przepuszcza światło w jednym kierunku, ale zmienia mod światła podróżującego w kierunku przeciwnym. Jako, że pomiędzy promieniami światła o różnych modach nie zachodzi interferencja, mogą przez siebie przenikać bez ryzyka zmiany niesionych informacji. Dotychczas stosowano dwie metody izolowania optycznego. Pierwsza, wynaleziona niemal 100 lat temu, zakładała wykorzystanie pola magnetycznego. Pole to zmienia polaryzację światła podróżującego w przeciwnym kierunku. Problem jednak w tym, że w pobliżu komputerów nie możesz stosować silnych pól magnetycznych. To niezdrowe - mówi Feng. Druga z metod, opracowana przed 50 laty, zakłada wykorzystanie materiałów o nieliniowych właściwościach optycznych. Materiały takie zmieniają częstotliwość fali świetlnej. Problem jednak w tym, że krzem charakteryzuje się właściwościami liniowymi. Aby zbudować układ scalony z materiałów o właściwościach nieliniowych, trzeba by zmienić materiał, z jakich są wytwarzane. Rezygnacja z krzemu oznaczałaby kolosalne koszty i trudności technologiczne związane z całkowitą zmianą technologii wykorzystywanych od dziesięcioleci. Zbudowanie krzemowego falowodu to pierwszy przykład urządzenia o liniowych właściwościach optycznych, które może służyć do separowania światła. Uczeni z Caltechu już zbudowali prototypowe urządzenie, które można zintegrować na krzemowym układzie. Obecnie najbardziej zaawansowane układy fotoniczne pracują z przepustowościami rzędu 10 gigabitów na sekundę. Wkrótce ich wydajność powinna wzrosnąć do 40 Gb/s. Jednak bez wbudowanego optycznego izolatora kości takie nie mogą zadebiutować na rynku. Projekt Caltechu daje nadzieję na pojawienie się w sprzedaży fotonicznych układów scalonych.
-
Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów. Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania. Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia. Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal. Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi. Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów. Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.
-
Grafen to niezwykle obiecujący materiał, jednak jest bardzo wrażliwy na działanie czynników zewnętrznych, które mogą negatywnie wpływać na jego użyteczne właściwości. Dlatego też niezwykle ważnym jest znalezienie podłoża pozwalającego na pracę z grafenem i zachowanie jego interesujących nas cech. Nawet samo podłoże może niekorzystanie wpłynąć na grafen. Naukowcy z Wydziału Nauk materiałowych Lawrence Berkeley National Laboratory oraz profesorowie z University of California, Berkeley, połączyli siły w celu znalezienia najlepszego substratu dla grafenu. Każdy substrat wpływa na właściwości grafenu, zatem najlepszą metodą jego badania jest nałożenie go na substrat. Problem jednak w tym, że taki grafen jest niestabilny gdy zostanie poddany badaniu skaningowym mikroskopem tunelowym, gdyż grafenowa membrana może zacząć drgać pod wpływem końcówki mikroskopu - mówi Regis Decker z uniwersytetu w Hamburgu. W listopadzie ubiegłego roku naukowcy z Columbia University poinformowali, że grafen osadzony na podłożu z azotku boru cechuje się znacznie lepszą mobilnością elektronów niż grafen na dwutlenku krzemu. Dobry substrat dla grafenu powinien mieć szerokie pasmo wzbronione i nie powinien mieć wolnych wiązań, by nie zmieniać struktury elektronicznej grafenu. Musi być też bardzo płaski. Azotek boru to dobry kandydat - dodaje Decker. Związek ten ma i tę pożądaną cechę, że ułożenie atomów azotu i boru jest bardzo podobne do ułożenia węgla w grafenie. W celu połączenia grafenu z azotkiem boru najpierw za pomocą taśmy klejącej pobrano z azotku boru cienkie płatki, które osadzono na dwutlenku krzemu wyhodowanym na krzemie wzbogaconym innym pierwiastkiem. Działał on jak bramka. Grafen uzyskano metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej na miedzi. Dzięki zastosowaniu Cu atomy węgla samodzielnie uformowały dwuwymiarową strukturę. Następnie grafen przeniesiono za pomocą miękkiego plastiku na azotek boru i uziemiono za pomocą elektrody z tytanku złota. Stworzono w ten sposób trzy próbki grafenu na azotku boru, który porównywano z grafenem na dwutlenku krzemu. Michael Crommie, szef jednej z grup badawczych wspomina, że już poprzednio testowano grafen na SiO2 i udowodniono, że gorsze od możliwych właściwości elektryczne grafenu nie wynikają z niedoskonałości czy uszkodzeń węglowej struktury, ale z zanieczyszczeń występujących w krzemie. Jednym z ich źródeł są zanieczyszczenia uwięzione pomiędzy grafenem a krzemem, podczas nakładania grafenu. Są wśród nich bąbelki powietrza czy molekuły wody. Gdy nakładaliśmy grafen na azotek boru szukaliśmy tych atmosferycznych zanieczyszczeń, ale nie stwierdziliśmy, by wywierały one jakiś wpływ. To dobra wiadomość, bo oznacza ona, że grafenowe urządzenia nie muszą być wykonywane w próżni - stwierdza Victor Brar. Szczegółowe badanie ujawniły szereg różnic pomiędzy grafenem na azotku boru i na dwutlenku krzemu. Grafen osadzony na pierwszym z tych materiałow jest znacznie bardziej płaski, a różnice w wysokości poszczególnych fragmentów nie przekraczają 40 pikometrów, gdy tymczasem w grafenie na dwutlenku krzemu sięgają one 1200 pikometrów. Pod względem elektronicznym różnice w gęstości ładunku w grafenie na azotku boru są niemal niezauważalne. Jak widać na załączonych grafikach, wyniki obu pomiarów - topograficznego i elektronicznego - są znacznie bardziej jednorodne w przypadku grafenu na azotku boru. W końcu bardzo istotna cecha, jaką jest pasmo wzbronione, które, przypomnijmy, naturalnie w grafenie nie występuje. Jako że siatka krystaliczna [azotku boru - red.] jest bardzo podobna do siatki grafenu, teoretycy przewidują, że powoduje ona pojawienie się pasma wzbronionego w grafenie - mówi Decker. System złożony z grafenu i azotku boru jest w wielu zastosowaniach znacznie lepszy od każdego innego systemu. Charakteryzuje się mniejszą liczbą zanieczyszczeń, znacznie bardziej równomiernym rozłożeniem ładunku, mniejszymi różnicami w wysokości i dużo lepszą stabilnością. Podsumowując, jest czystszym środowiskiem do badania właściwości grafenu. Azotek boru to naprawdę cudowny materiał dla praktycznych zastosowań grafenu - powiedział Michael Crommie.
-
Naukowcy z Electro-Optics Center (EOC) Material Division na Pennsylvania State University stworzyli 100-milimetrowy plaster grafenowy. To niezwykle ważny krok w kierunku wykorzystania grafenu do budowy urządzeń elektronicznych. Grafen to dwuwymiarowa forma grafitu, w której elektrony poruszają się znacznie szybciej niż w krzemie. Ocenia się, że dzięki zastąpieniu krzemu grafenem uda się stworzyć procesory, które będą od 100 do 1000 razy bardziej wydajne, od obecnie wykorzystywanych. David Snyder i Randy Cavalero z EOC wykorzystali proces znany jako sublimacja krzemowa. Podgrzewali oni plastry z węglika krzemu tak długo, aż krzem przemieścił się z jego powierzchni i pozostała na niej warstwa grafenu o grubości 1-2 atomów. Dotychczas udawało się to uzyskać na 50-miliometrowym plastrze. Teraz przeprowadzono eksperyment z plastrem o średnicy 100 milimetrów. To największe dostępne na rynku plastry krzemowe. Jak poinformował Joshua Robinson, naukowcy z Penn State umieszczają teraz na plastrze tranzystory i wkrótce rozpoczną testy wydajności. Ich celem jest zbliżenie się do maksymalnej teoretycznej wydajności grafenu wykonanego z węgliku krzemu. Elektrony powinny poruszać się w nim około 100-krotnie szybciej niż w krzemie. To jednak wymaga bardzo czystego materiału, przed uczonymi zatem sporo pracy. Z kolei inna grupa specjalistół już zaczęła prace nad urządzeniami i technologiami, które pozwolą produkować grafenowe plastry z 200-milimetrowych plastrów krzemowych.
-
Inżynierom z University of California, Berkeley, udało się wyhodować lasery bezpośrednio na krzemowym podłożu. Daje to nadzieję na postęp w krzemowej fotonice i zbudowanie szybszych, bardziej wydajnych procesorów, czujników biochemicznych czy układów optoelektronicznych. Krzem, stanowiący podstawę współczesnej elektroniki, nie nadaje się do generowania światła. Dlatego też specjaliści korzystają z innych półprzewodników do budowy komponentów optycznych. Problem jednak w tym, że ich łączenie z krzemem jest bardzo trudne. Próby hodowania warstw półprzewodników z grup III-V tablicy okresowej na krzemie to jak próby łączenia niepasujących do siebie puzzli. Można to zrobić ale materiał zostaje uszkodzony - mówi jeden z autorów najnowszych badań, Roger Chen. Uczonym z Berkeley udało się pokonać przeszkody i wyhodowali na krzemowym podłożu nanokolumny z arsenku indowo-galowego. Dokonali tego w stosunkowo niskiej temperaturze 400 stopni Celsjusza, a ich proces jest skalowalny. Wcześniejsze metody wymagały użycia temperatury powyżej 700 stopni co uszkadzało materiał i nie pozwalały na swobodne skalowanie. Kalifornijscy naukowcy użyli techniki metalowo-organicznego osadzania z fazy gazowej. Technikę tę można potencjalnie wykorzystać w skali masowej, gdyż podobne metody są używane do przemysłowej produkcji baterii słonecznych czy LED-ów - mówi profesor Connie Chang-Hasnain. Po wyhodowaniu nanokolumn uczeni dowiedli, że są one zdolne do generowania w temperaturze pokojowej światła podczerwonego o długości fali około 950 nanometrów.
-
Od kilku lat ekscytujemy się możliwościami grafenu, który być może w niektórych zastosowaniach zastąpi krzem. Tymczasem grafenowi wyrósł właśnie bardzo groźny konkurent - molibdenit. Ten minerał z gromady siarczków (MoS2 - siarczek molibdenu) występuje na całym świecie, również w Polsce. Jest on używany w stopach stali oraz do produkcji lubrykantów. Dotychczas jednak nie badano jego właściwości elektronicznych. A te, jak informują uczeni z École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), są niezwykle interesujące. To dwuwymiarowy [podobnie jak grafen - red.] materiał, bardzo cienki i łatwy do wykorzystania w nanotechnologii. Potencjalnie można go wykorzystać do produkcji LED, małych tranzystorów i ogniw słonecznych - mówi profesor Andras Kis. Uczony podkreśla jego przewagę nad krzemem i grafenem. Dzięki swojej dwuwymiarowej strukturze molibdenit pozwoli na produkcję mniejszych, w porównaniu z krzemowymi, podzespołów elektronicznych. W warstwie MoS2 o grubości 0,65 nanometrów elektrony mogą poruszać się równie swobodnie jak w warstwie krzemu o grubości 2 nanometrów - stwierdza Kis. A obecnie nie jesteśmy w stanie wyprodukować tak cienkich warstw krzemu jak monowarstwa siarczku molibenu - dodaje. Jednak to nie wszystko. Tranzystory wykonane z molibdenu pobierałyby o w stanie spoczynku o 100 000 razy mniej energii niż tranzystory krzemowe. Jakby jeszcze tego było mało, molibdenit ma też kolosalną przewagę nad grafenem. Otóż półprzewodniki wykorzystywane w elektronice muszą posiadać przerwę energetyczną, Jej szerokość ma podstawowe znaczenie w elektronice. Przerwa w molibdenicie ma wartość 1,8 eV, co czyni go świetnym materiałem na tranzystory. Wspomniany na wstępie grafen nie posiada w ogóle przerwy energetycznej i trzeba ją sztucznie tworzyć, co jest skomplikowanym procesem. Badania nad molibdenitem przyszły w samą porę. Przed kilkoma dniami IBM ogłosił, że grafen nie może zastąpić krzemu w tranzystorach. Okazało się bowiem, że grafenowych tranzystorów nie można całkowicie wyłączyć.
-
Intel poinformował o dokonaniu niezwykle ważnego kroku na drodze do zastąpienia podzespołów elektronicznych układami fotonicznymi. Koncern pokazał prototyp pierwszego w historii bazującego na krzemie łącza optycznego ze zintegrowanym laserem. Już w tej chwili jest ono w stanie przesyłać dane na duże odległości z prędkością 50 gigabitów na sekundę. Obecnie do przesyłania danych w urządzeniach elektronicznych wykorzystywana jest miedź. Sygnał elektryczny ulega w niej degradacji, dlatego też podzespoły muszą być umieszczone blisko siebie. Tylko dzięki temu jesteśmy w stanie osiągnąć odpowiednią jakość sygnału i duże prędkości jego przepływu. Wykorzystanie wynalazku Intela oznacza, że dane można będzie przesyłać szybciej i na większe odległości. To z kolei wpłynie w przyszłości na sposób projektowania komputerów i całkowicie zmieni architekturę centrów bazodanowych. Dzięki krzemowej fotonice poszczególne elementy superkomputerów czy części bazy danych nie będą musiały znajdować się blisko siebie. Będzie można rozsiać je wygodnie po całym budynku lub nawet zespole budynków. Z kolei w domu, za pomocą cienkiego kabla optycznego będziemy mogli połączyć odtwarzacz wideo z olbrzymim ekranem znajdującym się w innym pomieszczeniu i mieć pewność, że uzyskany obraz będzie niezwykle wysokiej jakości. Zastąpienie łączy miedzianych optycznymi umożliwi zbudowanie jeszcze potężniejszych superkomputerów niż obecnie. Justin Rattner, prezes ds. technologicznych Intela, powiedział, że 50-gigabitowe optyczne łącze posłuży inżynierom koncernu do testowania i rozwijania nowych pomysłów. Celem firmy jest opracowanie technologii, która pozwoli na tanie przesyłanie olbrzymich ilości danych za pomocą szybkich łączy bez konieczności używania egzotycznych materiałów, takich jak np. arsenek galu. Najnowsze osiągnięcie Intela było możliwe dzięki wcześniejszym badaniom, podczas których wynaleziono m.in. pierwszy krzemowy laser czy wysoko wydajne optyczne modulatory i fotodetektory. O osiągnięciach tych informowaliśmy w przeszłości. Teraz Intel wykorzystał cztery lasery, w których świetle dane są kodowane z prędkością 12,5 Gb/s. Promienie są następnie łączone, dzięki czemu uzyskujemy przepływ danych rzędu 50 gigabitów na sekundę. Na drugim końcu łącza znajduje się układ, który ponownie rozdziela promienie i kieruje je do czterech fotodetektorów, zamieniających dane w sygnały elektryczne. Całość została wykonana przy użyciu technik i materiałów używanych obecnie w przemyśle półprzewodnikowym. Opisanej powyżej technologii nie zobaczymy jednak w najbliższym czasie w naszych komputerach. Intel chce ją skomercjalizować dopiero wówczas, gdy uda się osiągnąć transfer danych rzędu 1 Tb/s. Inżynierowie koncernu pracują zatem nad umieszczeniem w układzie większej liczby laserów oraz nad zwiększeniem prędkości pracy modulatora. Jednak co nieco z prac Intela trafi w nasze ręce w nieodległym czasie. Firma pracuje bowiem jednocześnie nad technologią Light Peak, której celem jest opracowanie technologii optycznej, która będzie w stanie przesyłać na firmowej platformie dane z prędkością 10 Gb/s bez względu na rodzaj wykorzystanego protokołu.
-
Prace naukowców z Purdue University dają nadzieję na upowszechnienie się diod LED na rynku. Diody te są znacznie bardziej wydajne, energooszczędne i trwałe niż obecnie używane żarówki oraz świetlówki. Ich główną wadą jest zaś wielokrotnie wyższa cena. Tradycyjne LED-y wykorzystują szafir, który znacząco podnosi ich koszty. Uczonym z Purdue właśnie udało się zastąpić go krzemem. W szafirowych diodach materiałem emitującym światło jest azotek galu. Ponadto diody te korzystają z systemu luster, które obija światło tak, by nie było tracone. Te trzy elementy: szafir, azotek galu i lustra powodują, że diody są około 20-krotnie droższe od żarówek. Dotychczas nie udawało się zastąpić szafiru tańszym krzemem, ponieważ nie wiedziano, jak pokryć krzem odpowiedniej jakości metaliczną powłoką odbijającą światło. Amerykańscy naukowcy wykorzystali do tego celu azotek cyrkonu. Związek ten jest jednak niestabilny w obecności krzemu i reaguje z nim. Problem rozwiązano umieszczając na krzemie izolującą warstwę azotku glinu. Uczeni w komorze próżniowej bombardowali cyrkon i glin pozytywnie naładowanymi jonami argonu. Atomy metali były wybijane przez jony argonu i wchodziły w reakcję ze znajdującym się w komorze azotem. W wyniku tego procesu na krzemie odkładał się azotek glinu i azotek cyrkonu. Następnie w temperaturze około 1000 stopni Celsjusza za pomocą techniki epitaksji z fazy parowej dodano azotek galu. Znajdujące się na krzemie azotki cyrkonu, glinu i galu utworzyły krystaliczną strukturę, odpowiednią do produkcji diod LED. Dodatkową zaletą nowej technologii, oprócz znacznego obniżenia kosztów, jest fakt, iż krzem lepiej niż szafir rozprasza ciepło, co powinno skutkować zwiększoną żywotnością diod krzemowych. A ta może sięgać być może nawet 15 lat. Jeśli zastąpimy obecne żarówki diodami, możemy zaoszczędzić aż 30% energii zużywanej na oświetlanie. Oznacza to 10-procentową oszczędność w poborze energii w ogóle i odpowiednią redukcję emisji węgla do atmosfery - mówi profesor Timothy Sands. Informuje przy tym, że obecnie wydajność żarówek wynosi zaledwie 10%, a więc aż 90% pobieranej energii zamieniają one na ciepło, a nie na światło. Na rynku już teraz obecne są diody LED, których wydajność sięga 64 procent. Kosztują one jednak około 100 dolarów. Badania naukowców z Purdue powinny pozwolić na obniżenie ceny tego typu urządzeń do około 5 USD. Sands wierzy, że nowe diody trafia na rynek w ciągu 2 lat. Naukowcy muszą się jeszcze nauczyć, jak zmniejszyć liczbę wad fabrycznych oraz w jaki sposób zapobiec niszczeniu się warstwy azotku galu podczas schładzania plastrów krzemowych.
-
Na początku września badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco (UCSF) zaprezentowali prototyp wszczepialnej sztucznej nerki. Kiedy ulepszą swoje dzieło, dializy przestaną już być potrzebne. Urządzenie, nad którym pracują Amerykanie, ma zawierać tysiące mikroskopijnych filtrów oraz bioreaktor, naśladujący metaboliczną i regulującą nawodnienie funkcję prawdziwej nerki. Pracami zespołu inżynierów, lekarzy i biologów z całego kraju kieruje dr Shuvo Roy z UCSF. Na najciężej chorych pacjentach z przewlekłą niewydolnością nerek wykazano, że działa aparatura wielkości pokoju. Teraz prowadzona jest miniaturyzacja – ostatecznie wszystko ma mieć rozmiary kubka. Naukowcy wykorzystują technologię półprzewodnikową (krzem) i moduły z żywymi komórkami nerek. Całość można by wszczepić choremu bez konieczności podawania leków immunosupresyjnych, które tłumiąc reakcję układu odpornościowego zapobiegają odrzuceniu narządu. Urządzenie jest tak zaprojektowane, by zapewnić jak najwięcej korzyści zdrowotnych związanych z transplantacją nerki w sytuacji ograniczonej liczby dawców [...] – wyjaśnia Roy, który jednocześnie podkreśla, iż w ten sposób da się znacznie ograniczyć koszty leczenia, o oszczędzeniu cierpień chorym nie wspominając. Ekipa uważa, że testy kliniczne na ludziach będą się mogły zacząć za 5 do 7 lat. Liczba osób z przewlekłą niewydolnością nerek wzrasta ze względu na coraz większe rozpowszechnienie cukrzycy i nadciśnienia. Dializy są dla chorych wyczerpujące. Zazwyczaj trzeba przejść trzy 3-5-godzinne sesje tygodniowo. Poza tym procedura ta zastępuje jedynie 13% funkcji nerek. Oznacza to, jak wylicza Roy, że tylko 35% pacjentów przeżywa powyżej 5 lat. Wszczepialne urządzenie usuwa toksyny z krwi za pomocą hemofiltra, a inne zadania nerek są realizowane dzięki hodowlanym komórkom kanalików nerkowych. Podczas filtracji nie trzeba stosować pomp ani dostarczać prądu, wszystko odbywa się bowiem dzięki naturalnemu ciśnieniu krwi. Pierwsza – zakończona już - faza projektu polegała na opracowaniu technologii koniecznych do zmniejszenia aparatury oraz testowaniu pojedynczych składowych na modelu zwierzęcym. Na obecnym etapie należy dostosować rozmiary do ludzkiego organizmu. Mając poszczególne komponenty i wizualizację, akademicy szukają federalnych i prywatnych źródeł finansowania.
-
Zespół złożony z naukowców z czterech uczelni wyższych dokonał przełomu, który może przyczynić się do powstania komputerów kwantowych zbudowanych z... krzemu. Uczeni z University of Surrey, University College London, Herriot-Watt University oraz Instytutu Fizyki Plazmy z Utrechtu byli w stanie, po raz pierwszy w historii, kontrolować w krzemie zdolność elektronu do przebywania w dwóch miejscach jednocześnie. Elektron umieszczono w dwóch różnych miejscach za pomocą niezwykle intensywnych, krótkotrwałych impulsów lasera pracującego w dalekiej podczerwieni. W ten sposób, dzięki laserowi Dutch Felix stworono kwantową superpozycję elektronu. Oznacza to, że zbudowanie bazującego na krzemie komputera kwantowego może być w zasięgu ręki - powiedział profesor Ben Murgin z University of Surrey. W najbliższych latach mogą powstać pierwsze urządzenia dokonujące obliczeń dzięki nowej technice opracowanej przez brytyjsko-holenderski zespół.
-
Łącząc nanocząsteczki krzemu z genetycznie zmodyfikowanymi proteinami uzyskanymi z topoli można znacząco zwiększyć gęstość upakowania danych w kościach pamięci. Nowa technika została opracowana przez profesora Danny'ego Poratha i Izhara Medalsy'ego z Instytutu Chemii Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie. Zmodyfikowana proteina ma kształt pierścienia, a nanocząsteczki krzemu są dołączane do jego zewnętrznego pora. Takie hybrydy można łączyć w rozległe, gęsto upakowane macierze i tworzyć z nich układy pamięci. Porah i Medalsy wykazali już, że taka konstrukcja jest stabilna i nadaje się do przechowywania danych. Zapewniają, że w ten sposób można łatwo i tanio zmniejszać kości pamięci.
-
Inżynierowie IBM-a stworzyli najmniejszą w historii trójwymiarową mapę kuli ziemskiej. Jest ona tak mała, że na kryształku soli zmieściłoby się 1000 takich map. Naukowcom udało się to osiągnąć dzięki wykorzystaniu nowej przełomowej techniki. Do tworzenia wzorów użyli bowiem niewielkiego zaostrzonego kawałka krzemu, którego czubek był o 100 000 razy mniejszy od czubka zaostrzonego ołówka. Dzięki temu mogli uzyskać wzory o wielkości zaledwie 15 nanometrów. Nowa technika posłuży w przyszłości do taniego i prostego tworzenia obiektów przydatnych w elektronice, medycynie, biologii czy optoelektronice. Pracownicy IBM-a, chcąc zaprezentować możliwości nowej techniki, stworzyli m.in. replikę szczytu Matterhorn w skali 1:5 000 000 000. Trójwymiarowa góra wyrzeźbiona w szkle ma wysokość 25 nanometrów. Kolejnym ich osiągnięciem było wyrzeźbienie w polimerze mapy kuli ziemskiej o wymiarach 22x11 mikrometrów. Mapa składa się z 500 000 pikseli o powierzchni 20 nm2 każdy, a jej tworzenie zajęło jedynie 2 minuty 23 sekundy. Nowa technika pozwala też tworzyć obiekty dwuwymiarowe. By to udowodnić w krzemie wyrzeźbiono logo IBM-a, zagłębiając się przy tym w materiał na 400 nanometrów. Głównym elementem nowej techniki jest 500-nanometrowy kawałek zaostrzonego krzemu, którego czubek liczy kilka nanometrów szerokości. Ostrze jest podobne do tych używanych w mikroskopach sił atomowych. Umieszczono je na elastycznym ramieniu, które pozwala na skanowanie powierzchni z dokładnością 1 nanometra. Odpowiednia kombinacja siły i temperatury pozwala na rzeźbienie w materiale. Obecnie nowa technika pozwala na osiągnięcie rozdzielczości rzędu 15 nanometrów, niewykluczone jednak, że uda się ją udoskonalić i zwiększyć rozdzielczość. Już teraz ma ona olbrzymie zalety w porównaniu z tradycyjną litografią. Przede wszystkim wymaga użycia urządzeń o znacznie prostszej konstrukcji, dzięki czemu jest od 5 do 10 razy tańsza. Ponadto teoretycznie może oferować bardzo wysokie rozdzielczości. Tymczasem współczesne techniki litograficzne w miarę postępu technologicznego i zwiększania wymagań, sprawiają coraz więcej problemów z ich dostosowaniem do nowych technologii. Na potrzeby nowej techniki inżynierowie IBM-a zbadali też dwa nowe substraty, które mogą być przez nią wykorzystywane. Pierwszy to molekularne szkło, które pod koniec lat 90. ubiegłego wieku teoretycznie opracował Mitsuru Ueda z Yamagata University w Japonii i zaproponował użycie go jako fotorezystu. Zostało ono później wyprodukowane przez Chrisa Obera z Cornell University. Szkło takie składa się z molekuł podobnych do płatków śniegu. Każda z nich ma około nanometra średnicy i kształt sfery. Gdy wspomniane krzemowe ostrze zostanie rozgrzane do temperatury wyższej niż 330 stopni Celsjusza, dochodzi do przerwania wodorowych wiązań utrzymujących molekuły razem. Przez to molekuły zaczynają uciekać z powierzchni szkła, co pozwala na rzeźbienie trójwymiarowych obiektów. Drugi z materiałów to polimer PPA wynaleziony w latach 80. przez Hiroshi Ito. Również i w nim pod wpływem temperatury część materiału zostaje odparowana. Dochodzi przy tym do rodzaju "reakcji łańcuchowej", dzięki której tempo powstawania wzorów jest szybsze niż sam ruch krzemowego ostrza.
-
Wyniki najnowszego studium naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis wskazują, że w zachodniej diecie piwo może być jednym z najważniejszych źródeł krzemu. Pierwiastek ten sprzyja wzrostowi kości i tkanki łącznej, zapobiegając w ten sposób osteoporozie (Journal of the Science of Food and Agriculture). Amerykanie przyglądali się związkom między wybraną metodą produkcji chmielowego napoju a zawartością krzemu. Czynniki warzelnicze, które wpływają na zawartość krzemu, nie były dotąd zbyt intensywnie badane. My przestudiowaliśmy całą ich gamę [...], określając oddziaływanie surowego materiału oraz procesu warzenia na stężenie Si w brzeczce i piwie – opowiada szef projektu Charles Bamforth. Krzem występuje w piwie pod postacią kwasu ortokrzemowego (ang. orthosilicic acid, OSA), który charakteryzuje się 50-proc. biodostępnością. To dzięki temu złoty napój staje się podstawowym źródłem Si w zachodniej diecie. Naukowcy zbadali próbki surowego materiału i stwierdzili, że słodowanie w niewielkim stopniu zmienia zawartość krzemu. Większość Si jęczmienia znajduje się bowiem w łuskach ziarna, które nie są niszczone podczas tego procesu. Słody z wyższym stężeniem krzemu mają bledszy kolor, ponieważ są suszone w niższej temperaturze. Ciemniejsze słody, np. czekoladowy czy barwiący black malt, który w ramach palenia jest doprowadzany do punktu uwęglania (ok. 200 st. C), z nieznanych na razie powodów zawierają o wiele mniej Si od innych słodów. W próbkach chmielu wykryto zaskakująco wysokie stężenia krzemu – było go tam 4-krotnie więcej niż w słodzie. W piwie używa się jednak znacznie mniejszych ilości chmielu niż ziarna. Nie wychwycono krzemu pochodzącego z hydrożelu stosowanego do stabilizowania piwa (zmiany nie następowały nawet po upływie doby) ani z filtrów z ziemi okrzemkowej. Autorzy studium zbadali zawartość Si w 100 dostępnych w sklepach piwach. Kategoryzowali dane m.in. ze względu na rodzaj alkoholu. Stężenie krzemu wahało się w zakresie od 6,4 do 56,5 mg/L. Piwa zawierające dużo palonego jęczmienia i chmielu są bogate w krzem. Pszenica jest uboższa w Si niż jęczmień [...]. Mając to na uwadze, warto od czasu do czasu sięgnąć po kufel, bo może się to korzystnie odbić na zdrowiu naszych kości.
-
Jak wiemy, miniaturyzacja krzemowych tranzystorów ma swoje granice i współczesna technologia właśnie się do nich zbliża. Dlatego też poszukiwane są alternatywne sposoby na zapewnienie ciągłego rozwoju komputerów. Jednym z nich jest pomysł na wykorzystanie krzemowych nanokabli. W 2008 roku naukowcy z MIT-u stworzyli nanokable, w których ruchliwość elektronów jest dwukrotnie lepsza niż w poprzednich tego typu produktach. Teraz ten sam zespół udowodnił, że jest w stanie ułożyć na sobie do pięciu wysoko wydajnych nanokabli, pięciokrotnie zwiększając w ten sposób wydajność nanokablowego tranzystora, bez zwiększania jego powierzchni na układzie scalonym. Zaletą rozwiązania proponowanego przez MIT jest fakt, iż nanokable zawieszone są w powietrzu, więc można je izolować, by nie dopuszczać do wyciekania ładunku, co jest coraz większym problemem w miarę zmniejszania tranzystorów. Jednak wadą nanokabli są ich niewielkie rozmiary, które ograniczają ilość przenoszonego ładunku. Profesor Judy Hoyt oraz jej studenci, Pouya Hashemi i Leonardo Gomez, zwiększyli wydajność nanokabli nieco rozciągając krzem tak, by jego atomy były oddalone od siebie bardziej niż normalnie. Rozciągnięty krzem stosuje się w konwencjonalnych tranzystorach od 2003 roku, a profesor Hoyt była jednym z pionierów badań nad tego typu technologią. Uczeni z MIT-u rozpoczęli swoje prace od umieszczenia na plastrze krzemowym mieszaniny krzemu domieszkowanego germanem. Na to nałożyli warstwę czystego krzemu. Jego atomy, próbując dopasować się do położenia atomów niższej warstwy, musiały się rozciągnąć, gdyż atom germanu jest większy od atomu krzemu, więc odległości pomiędzy nimi są większe. Następnie warstwę tak rozciągniętego krzemu umieszczono na kolejnym krzemowym plastrze. Na nim umieszczono na zmianę warstwy krzemu z germanem oraz czystego krzemu. Tak przygotowany stos pocięto, a następnie usunięto warstwy krzemu z germanem, otrzymując liczne zawieszone w powietrzu nanokable z rozciągniętego krzemu. Udało się zatem uzyskać tranzystory, w których ładunek przenoszony jest przez poruszające się elektrony. W tradycyjnych tranzystorach jest on jednak również przenoszony przez dziury. Wykorzystanie ich potencjału wymaga z kolei zupełnie innego podejścia do nanokabli. Atomy w nich powinny być nie rozciągnięte, a ściśnięte. Zespół profesor Hoyt już pracuje nad odpowiednimi nanokablami.
-
Grupa naukowców z UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, Purdue University i IBM-a wyhodowała krzemowo-germanowe nanokable, które mogą trafić do tranzystorów przyszłej generacji. Jesteśmy podekscytowani z dwóch powodów. Po pierwsze, poszerzyliśmy naszą wiedzę dotyczącą fizycznych podstaw wzrostu nanokabli. Po drugie, ulepszyliśmy je na tyle, że mogą być używane w wysoko wydajnych urządzeniach elektronicznych - mówi Frances Ross z IBM-a. Naukowcy udowodnili, że są w stanie hodować wolne od defektów nanokable z różnych materiałów. Przede wszystkim zaś skupili się na krzemie i germanie. Co niezmiernie ważne, precyzję zakończeń ich nanokabli można wyrazić w skali atomowej. To o tyle istotne, że od jakości połączeń zależy wydajność tranzystora. Im "ostrzejsze" końcówki nanokabli - a w tym przypadku mają one wielkość pojedynczego atomu - tym lepsze właściwości elektryczne budowanego z nich urządzenia. Uzyskanie tak precyzyjnych zakończeń to najważniejsze osiągnięcie wspomnianego zespołu naukowców. Nanostruktury krzemowo-germanowe mają i tę zaletę, że zamieniają energię cieplną w elektryczną. Ta właściwość jest wykorzystywana przez NASA do zasilania satelitów, a coraz częściej myśli się o wykorzystaniu jej w przemyśle samochodowym. Nowe nanokable, dzięki swojej niezwykłej precyzji, będą idealnie nadawały się do podobnych zadań. Uczeni, by uzyskać idealne nanokable krzemowo-germanowe, podgrzali cząsteczki stopu złota z aluminium do temperatury powyżej 370 stopni Celsjusza i stopili je w komorze próżniowej. Następnie wprowadzili do niej gaz zawierający krzem, który spowodował wzrost nanokabli krzemowych. Podobny proces zaszedł po wpuszczeniu do komory gazu z germanem. Podstawową trudnością było uzyskanie naprawdę ostrych połączeń pomiędzy kablami z krzemu i germanu. Uzyskano je dzięki schłodzeniu gazu z krzemem, co pozwoliło na usunięcie nadmiaru materiału z nanokabli, na których następnie zaczęły rosnąć nanokable germanowe. Uczeni skupią się teraz nad hodowaniem nanokabli na znacznie większych powierzchniach niż dotychczas.
-
Ogniwa słoneczne są tym bardziej wydajne, im dłużej wystawimy je na działanie Słońca. To jednak zmienia w ciągu dnia swoją pozycję. Konieczne jest zatem stosowanie silników pozycjonujących panele słoneczne bądź układów optycznych, zapewniający ciągły dopływ światła. Na University of Illinois powstały ogniwa o sferycznych kształtach, dzięki którym można będzie zrezygnować z silników i optyki, a promienie słoneczne zawsze do nich dotrą. Jeśli testy wykażą ich przydatność, mogą one zastąpić tradycyjne płaskie ogniwa, a jednocześnie ich produkcja nie będzie droga, gdyż małe sferyczne ogniwa łączone w duże macierze wymagają użycia mniejszej ilości materiału. Dotychczas nie produkowano ogniw o powierzchniach sferycznych, gdyż współczesne techniki litograficzne najlepiej sprawdzają się na płaskich powierzchniach. Zespół z Univesity of Illinois poradził sobie z tym problemem dzięki technice samodzielnego dostosowywania kształtu z płaskich powierzchni. Naukowcy zaczęli od litograficznej obróbki cienkiej płaskiej warstwy krzemu. Następnie wycięli z niego formę o kształcie kwiatu. Na środku przykleili kawałek szkła, który pomagał zachować nadaną formę. W środek "kwiatu" wpuścili kroplę wody. Gdy ta parowała, napięcie powierzchniowe spowodowało, że "płatki" krzemu się uniosły, tworząc sferę. Jak mówi profesor Ralph Nuzzo, szef zespołu badawczego, największą trudnością jest opracowanie kolejnych etapów produkcji tak, by uzyskać wymagany kształt. Uczeni stworzyli więc liczne modele matematyczne opisujące, co należy zrobić, by krzem przybierał różne kształty, jak reaguje on na obecność wody i w jaki sposób należy wodę wzbogacić środkami chemicznymi, by w pożądany sposób oddziaływała na krzem. Zespół Nuzzo otrzymał w opisany powyżej sposób cały zestaw mikroskopijnych sferycznych ogniw słonecznych. Pierwsze testy wykazały, że ich wydajność wynosi zaledwie 1%. To niewiele jak na ogniwa, jednak, co warto podkreślić, to lepszy wynik niż można uzyskać z płaskich ogniw wyprodukowanych przy użyciu takiej samej technologii i tej samej ilości materiału. To z kolei oznacza, że po ulepszeniu nowa technika może okazać się lepsza od obecnie stosowanych. Jednak jej zalety nie ograniczają się do krzemu. Za jej pomocą można zginać też inne materiały. Zginanie jest bardzo interesujące, gdyż pozwala uzyskać fantastyczne trójwymiarowe kształty - stwierdził profesor George Barbastathis z MIT-u.
-
W najbliższych tygodniach w Nature ukaże się artykuł Evy Andrei i jej kolegów z Rugers University, w którym opisują odkryte przez siebie nowe właściwości grafenu. W przyszłości ich odkrycie może doprowadzić do powstania wyjątkowo wydajnych urządzeń elektronicznych. Naukowcy zaobserwowali, że elektrony w grafenie mogą silnie ze sobą oddziaływać. Wcześniej jedynie teoretyzowano, iż jest to możliwe. Teraz zjawisko, podobne do nadprzewodnictwa, zaobserwowano w laboratorium. W grafenie zachodzi ono dzięki nowemu stanowi materii, w skład którego wchodzą częściowo naładowane kwazicząsteczki i dochodzi do transportowania ładunku bez jego rozpraszania się. W większości materiałów elektrony mają masę, jednak w grafenie jej nie mają, co kazało wielu naukowcom wątpić, czy w takiej sytuacji uda się zaobserwować silne oddziaływania pomiędzy elektronami. Nasza praca wykazała, że wcześniejsze nieudane próby zaobserwowania skorelowanego zachowania nie były powodowane naturą grafenu - mówi Eva Andrei. Przyczyną były interferencje ze strony materiału, na którym umieszczano grafen oraz próbników wykorzystywanych podczas badań. Do obserwacji zachowania relatywistycznych kwazicząsteczek w grafenie wykorzystano ułamkowy kwantowy efekt Halla. Ma on miejsce, gdy nośniki ładunku poruszają się w dwuwymiarowej przestrzeni i są poddane działaniu pola magnetycznego. Gdy interakcje pomiędzy takimi nośnikami są wystarczająco mocne, dochodzi do powstania nowych kwazicząsteczek o ładunku stanowiącym ułamek ładunku elektronu. Występowanie ułamkowego kwantowego efektu Halla to dowód na silne skorelowane zachowanie naładowanych cząstek. Dotychczas nie było jednak pewne, czy pozbawione masy elektrony będą zachowywały się w ten sam sposób. Odkrycie naukowców z Rutgers University powinno zachęcić innych specjalistów do badań nad grafenem, dowodzą one bowiem, że materiał ten może w przyszłości zastąpić krzem.
-
W Nature Photonics ukazał się artykuł opisujący działanie "teleskopu czasowego", który może pozwolić na 27-krotne przyspieszenie przesyłania informacji we współczesnych światłowodach. Jego działanie polega na skompresowaniu impulsu światła w jednostce czasu. Generalnie im impuls krótszy, tym więcej informacji można przesłać danym łączem. Obecnie stosowane urządzenia wykorzystują pasmo 10 GHz i kodują w nim informacje. Teoretycznie możliwe jest wysyłanie impulsów o częstotliwościach 100 000 razy większych, jednak obecnie nie jesteśmy w stanie zakodować w nich żadnych informacji. Naukowcy z Cornell University wpadli więc na pomysł "ściskania" 10-gigahercowych impulsów, dzięki czemu możliwe będzie wysłanie większej ich liczby w jednostce czasu, co znakomicie zwiększy przepustowość łącza. Autorzy artykułu proponują wykorzystanie krzemowych falowodów, które działają jak soczewki skupiające na sygnał. Do takiego falowodu trafiają jednocześnie długi, 10-gigahercowy impuls z zakodowanymi danymi i znacznie krótszy impuls lasera niezawierający żadnych informacji. Wskutek oddziaływań z krzemem, dłuższy impuls z danymi zostaje zmuszony do czasowego przybrania właściwości krótszego impulsu. Jego czołowa część zwalnia, a tylna przyspiesza. W efekcie dochodzi do 27-krotnego skompresowania impulsu. Nowa technika ma na razie sporo ograniczeń. Najważniejszym z nich jest ograniczenie długości pakietu, który może zostać poddany takiej kompresji. Obecnie można kompresować dane o długości do 24 bitów, dlatego też, jak powiedział Mark Foster, główny autor badań, konieczne jest wydłużenie czasu, w którym zachodzi kompresja. Ponadto trzeba też opracować odpowiedni system dekompresji. Jednak, jak mówi uczony, technologia jest prosta, a jej zastosowanie wymaga niewielkich nakładów, z pewnością więc będzie rozwijana i zainteresuje się nią przemysł. Można ją też zastosować w chemii i biologii, gdzie pozwoli na szczegółowe badanie błyskawicznie zachodzących procesów, takich jak np. reakcje chemiczne. "Teleskop czasowy" jest tym bardziej obiecujący, że już na początku prac nad nim uzyskano wyjątkowo dobre wyniki.
