Znajdź zawartość

Amerykańscy uczeni udowodnili, że można dokonywać obliczeń za pomocą skrzyżowanych ze sobą nanokabli. Wystarczy ich odpowiednie połączenie, a otrzymamy prosty układ logiczny. Specjaliści z Universytetu Harvarda ułożyli na krzemowym podłożu 10-nanometrowej długości kable z germanu. Następnie pokryli je tlenkami metali i nałożyli nań w określonych miejscach kolejne kable, krzyżujące się z tymi poniżej. Dzięki podaniu wysokiego napięcia naukowcy mogli włączyć i wyłączyć poszczególne miejsca przecięcia się kabli, programując w ten sposób układ. Później użyli niższego napięcia, dzięki któremu niżej położone kable z germanu działały jak tranzystory. Stworzony w ten sposób chip składał się z 496 programowalnych tranzystorów umieszczonych na powierzchni 960 mikrometrów. Układ umożliwiał przeprowadzenie operacji dodawania i odejmowania. Twórcy nowej kości przyznają, że jest ona bardzo duża, a ich technika raczej nie pozwoli na dorównanie szybko rozwijającym się technologiom litograficznym. Podkreślają jednak, że ich metoda ma olbrzymią zaletę, gdyż tworzone w ten sposób układy mogą zużywać nawet 100-krotnie mniej energii niż konwencjonalne kości. Mogą zatem przydać się do tworzenia niewielkich robotów czy prostych urządzeń biomedycznych.

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.

Wystarczy zanurzyć kartkę papieru w tuszu wykonanym z węglowych nanorurek i srebrnych nanokabli, by błyskawicznie uzyskać baterię lub superkondensator - stwierdza profesor Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda. Społeczeństwo potrzebuje tanich, wysoko wydajnych urządzeń przechowujących energię, takich jak baterie i proste superkondensatory - mówi uczony. Naukowiec mówi, że jego baterie są szczególne. Dzięki wykorzystaniu materiałow w skali nano, podstawowe elementy baterii są bardzo małe, przez co tusz z nanorurkami i nanokablami bardzo mocno przyczepia się do włókien papieru. To zaś powoduje, że baterie są niezwykle wytrzymałe. Superkondensator wykonany metodą proponowaną przez Cui jest w stanie wytrzymać 40 000 cykli ładowania/rozładowania, a więc znacznie więcej niż nowoczesne baterie litowe. Papierowe baterie mają też kolosalną zaletę - trudno je zniszczyć. Można je zmiąć, wygiąć, zanurzyć w roztworze kwasu lub zasady, a zachowają swoją wydajność. Nie sprawdzaliśmy jeszcze, co się stanie, gdy je spalimy - mówi Cui. Superkondensatory wykonane z papieru mogą być przydatne w przemyśle motoryzacyjnym. Mają bowiem dużą powierzchnię w stosunku do objętości, mogą więc przechowywać sporo energii. Ta technologia może zostać bardzo szybko skomercjalizowana. Nie sądzę, by jej zastosowanie ograniczyło się tylko do przechowywania energii. To potencjalnie tania, elastyczna elektroda dla każdego urządzenia elektronicznego - stwierdził profesor Peidong Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zdaniem wynalazcy papierowych baterii, najbardziej przydadzą się one w przemyśle produkującym i dystrybuującym energię. Pozwolą bowiem w bardzo tani i prosty sposób przechowywać energię wyprodukowaną poza szczytem i uwolnić ją w szczycie.

Eksperymenty na szczurach wykazały, że mózg doskonale radzi sobie z nanoodpadami, usuwając te, które w jakiś sposób się tu dostaną (Nano Letters). Badacze z Lund University wstrzyknęli nanoprzewody bezpośrednio do mózgu gryzoni. Chcieli sprawdzić, co się z nimi stanie, ponieważ w przyszłości tego typu struktury będą zapewne używane razem z miniaturowymi elektrodami, np. podczas leczenia chronicznego bólu, parkinsonizmu czy depresji. Implantowane elektrody są już teraz stosowane w terapii choroby Parkinsona, ale Szwedzi mają nadzieję, że dzięki ich odkryciom technika zostanie ulepszona bądź powstanie zupełnie nowa. Neurolodzy patrzyli, co nastąpi, jeśli nanoprzewody ulegną fragmentacji. W tym celu zmieszali je z cieczą i wstrzyknęli do mózgu szczurów. Równolicznej grupie zwierząt wstrzyknięto płyn bez nanokabli. Po 1, 6 i 12 tygodniach eksperci sprawdzali, jak mózgi reagują na te specyficzne ciała obce. Okazało się, że mikroglej skutecznie poradził sobie z nanośmieciami. Po 12 tygodniach między mózgami przedstawicieli obu grup występowały jedynie niewielkie różnice. Studiowaliśmy [zachowanie] dwóch rodzajów pomocniczych komórek tkanki nerwowej: mikrogleju, który odpowiada za uprzątnięcie elementów odpadowych bądź zakaźnych oraz astrocytów biorących udział w procesie leczenia mózgu. Mikroglej "zjadł" większość nanoprzewodów. W 6. i 12. tygodniu w jego komórkach widzieliśmy jedynie ich pozostałości – wyjaśnia Nils Danielsen. Autorzy studium podkreślają, że liczba neuronów w obu grupach utrzymywała się na stałym poziomie. Jedyna różnica polegała na tym, iż w grupie testowej w pierwszym tygodniu wystąpiła silniejsza reakcja ze strony astrocytów. Zanikła ona jednak na dalszych etapach eksperymentu. Skoro z czasem spadała też liczba komórek mikrogleju (rezydentnych makrofagów), Szwedzi wywnioskowali, że nanoprzewody nie spowodowały trwałego uszkodzenia ani przewlekłego urazu mózgu.

Jedną z metod zwiększenia wydajności komputerów jest połączenie elektroniki z materiałami biologicznymi. Eksperci z Lawrence Livermoore National Laboratory (LLNL) opracowali hybrydową platformę, która pozwala na tworzenie urządzeń bionanoelektronicznych wykorzystujących pokryte lipidami nanokable. Tego typu urządzenia mogą zrewolucjonizować medycynę i diagnostykę, gdyż pozwolą na łatwe łączenie urządzeń elektronicznych z ludzkim ciałem. Przyczynią się do znacznego postępu w protetyce, pozwalając np. na skonstruowanie sztucznego ślimaka ucha wewnętrznego. W dalszej przyszłości dzięki bioelektronice mogą powstać potężne komputery. Systemy biologiczne są w stanie przetwarzać różne informacje znacznie sprawniej niż najpotężniejszy superkomputer. Wystarczy wspomnieć o przetwarzaniu i rozpoznawaniu obrazów czy dźwięków. Dla każdego zdrowego zwierzęcia jest to zadanie banalnie łatwe, a przekracza możliwości współczesnych maszyn. Obwody elektroniczne korzystające ze złożonych komponentów biologicznych mogą być znacznie bardziej wydajne - mówi Aleksandr Noy, szef projektu badawczego w LLNL. Dotychczas próbowano łączyć mikroelektronikę z materiałami biologicznymi, nigdy jednak nie osiągnięto odpowiedniego poziomu integracji. Dzięki stworzeniu nanomateriałów o skali wielkości porównywalnej z wielkością molekuł biologicznych możemy silnie zintegrować te systemy - stwierdza Noy. Jego zespół wykorzystał powszechnie spotykane w komórkach błony lipidowe. Tworzą one stabilne, samoregenerujące się systemy, które są jednocześnie nieprzenikalnymi barierami dla jonów i niewielkich molekuł. Trzeba też wspomnieć, że błony te mogą zawierać olbrzymią liczbę maszyn złożonych z białek. Maszyny te przeprowadzają wiele operacji, takich jak rozpoznawanie, transport czy przesyłanie sygnałów w komórce - stwierdza Nipun Misra, jeden z członków zespołu badawczego. Naukowcy użyli dwuwarstwowej błony lipidowej, za pomocą której odizolowali nanokable w krzemowym tranzystorze od roztworu. Dzięki takiemu rozwiązaniu mogli wykorzystać pory w błonie do decydowania, którędy jony mogą przenikać do nanokabli. Pozwala to na kontrolowanie transportu jonów oraz działania białek w membranie. Eksperymenty wykazały bowiem, że zmieniając napięcie w bramce tranzystora można zamykać i otwierać pory.

Jak już niejednokrotnie wykazano, właściwości wielu materiałów są inne w naszym świecie, a inne w skali nano. Tym razem zauważono, że zwykła sól, która jest dla nas materiałem nieelastycznym, w skali nano rozciąga się o ponad 100%. To z kolei nasunęło naukowcom pomysł, by solne nanokable wykorzystać w elektronice. Nie od dzisiaj wiadomo, że metale są rozciągliwe w temperaturach znacznie niższych niż ich punkt topnienia. Nie spodziewano się jednak, że takie właściwości może mieć sól. Nathan Moore z Sandia National Laboratories uważa też, że naturalne nanokable z soli mogą być bardzo rozpowszechnione w morzach czy podziemnych pokładach chlorku sodu. Moore wraz ze swoim zespołem odkryli plastyczność soli zupełnie przypadkowo. Badali oni, w jaki sposób woda przyczepia się do różnych powierzchni. Na potrzeby eksperymentów stworzyli wyjątkowo suchą próbkę soli. Później za pomocą diamentowego próbnika i mikroskopu badali siły działające na powierzchnię próbki. Gdy próbnik był daleko, nie zauważono żadnych mierzalnych oddziaływań. Jednak, gdy znalazł się on w odległości 7 nanometrów od soli, zaczęły działać tak potężne siły, że sól rozciągnęła się od powierzchni próbki po diamentowy czubek próbnika. Pod mikroskopem elektronowym zaobserwowano, że utworzyły się nanokable. Uczeni spekulują, że na wystąpienie takiego zjawiska mogą mieć wpływ siły elektrostatyczne. Musimy bowiem pamiętać, że w nanoświecie takie zjawiska jak np. napięcie powierzchniowe są bardzo potężne, a z kolei grawitacja nie ma tam większego znaczenia. Ich oddziaływanie jest mocniejsze nawet niż wiązania pomiędzy atomami. W miarę oddalania próbnika od próbki sól ulega rozciągnięciu, aż w końcu pęka. Przypadkowe odkrycie może też zmienić techniki produkcji nanokabli. Obecnie są one tłoczone, a niewykluczone, że można będzie je uzyskiwać metodą wyciągania.

Dzięki nowej technologii podłączania miniaturowych czujników, po raz pierwszy stało się możliwe jednoczesne zarejestrowanie sygnałów z różnych części komórki. Technologia ta umożliwi zbadanie, w jaki sposób funkcjonują i komunikują się ze sobą np. komórki serca czy mózgu. Charles Lieber i jego koledzy z Uniwersytetu Harvarda wykorzystali tranzystor polowy z nanokabli (NWFET - nanowire field effect transistor), który składa się z nanokabla o średnicy 20 nanometrów umieszczonego na dwutlenku krzemu i połączonego z z elektrodami. Na tym samym podłożu można umieścić wiele kabli, dzięki czemu możliwe jest rejestrowanie wielu sygnałów. Dotychczas jednak nie udało się NWFET zastosować w badaniu komórek, gdyż nie istniała metoda umożliwiająca wymuszenia na komórkach by rosły w precyzyjnie dobranym miejscu tak, żeby można było mierzyć sygnały. Naukowcy z Harvarda najpierw wyhodowali komórki na podłożu z przezroczystego polimeru, a następnie przenieśli je na macierz tak, że każda komórka miała kontakt z 10 nanokablami. To z kolei umożliwiło jednoczesny pomiar sygnałów z różnych części komórki oraz z różnych części grupy komórek.

David Palevliet, doktorant z Murdoch University w Perth, odkrył, że nanokable reagują na... muzykę. Mężczyzna prowadzi pomiary absorpcji światła słonecznego przez nanokable, chcąc zbudować z nich ogniwo słoneczne. Jednym z używanych przez Palevlieta sposobów na wywołanie wzrostu nanokabli było przepuszczanie prądu elektrycznego przez krzem w formie gazowego silanu (SiH4). Gaz zmieniał się w plazmę, która pulsowała z częstotliwością 1000 impulsów na sekundę. Molekuły gazu osiadały stopniowo na szklanym podłożu tworząc krzemowe nanokable. Promotor Palevlieta podsunął mu pomysł użycia muzyki zamiast generatora impulsów plazmy. Doktorant w miejsce generatora podłączył odtwarzacz i przetestował działanie różnych utworów. Znalazły się wśród nich Dancing Queen ABBY, Das Modell Rammsteina, Addicted to Bass Josha Adamsa, Nokturn op. 9 b-moll Chopina oraz Smoke on the water Deep Purple. Badania wykazały, że nanokable najlepiej rosły, gdy impulsy były generowane przez utwór Deep Purple. Najgorzej - przy muzyce Rammsteina. Parlevliet wyjaśnia, że w muzyce mamy do czynienia z częstymi i nagłymi zmianami tonacji. To powoduje, że generowana plazma może być niestabilna. Smoke on the water nie był jednak remedium na wszystkie bolączki. Nanokable stworzone przy jego pomocy były najbardziej poskręcane ze wszystkich. Generowanie sygnałów za pomocą muzyki nie jest więc lepszą metodą niż dotychczas używane. Jeśli jednak w przyszłości naukowcy znajdą zastosowanie dla poskręcanych nanokabli, utwory muzyczne mogą się przydać.

Naukowcy z University of Pennsylvania opracowali nanokable, które są w stanie przechowywać dane przez 100 000 lat i odczytywać je tysiąckrotnie szybciej, niż obecnie wykorzystywane układy flash czy miniaturowe dyski twarde. Ponadto do pracy potrzebują mniej energii i zajmują mniej miejsca. Nanokable są dziełem Ritesha Agarwala, Se-Ho Lee i Yeonwoonga Junga. Stworzone zostały z tellurku germanowo-antymonowego (Ge2Sb2Te5). Jest to materiał zmiennofazowy, który pod wpływem prądu elektrycznego zmienia swoją strukturę pomiędzy stanem amorficznym a krystalicznym. Kolejną olbrzymią zaletą wspomnianych nanokabli jest fakt, iż miniaturowe struktury o średnicy zaledwie 100 atomów można tworzyć bez wykorzystywania drogich technik litograficznych. Naukowcy wykorzystali proces chemiczny, podczas którego poszczególne składniki samodzielnie krystalizują w niskiej temperaturze i obecności metalowego katalizatora. Utworzone w ten sposób nanokable miały od 30 do 50 nanometrów średnicy i długość 10 mikrometrów. Zostały następnie przeniesione na krzemowe podłoże i utworzono z nich urządzenie zdolne do przechowywania danych. Testy wykazały, że potrzebuje ono do pracy jedynie 0,7 mW na bit informacji. Informacje są odczytywane, kasowane i zapisywane w ciągu 50 nanosekund, czyli 1000-krotnie szybciej, niż ma to miejsce w przypadku flash. Z wyliczeń wynika, że urządzenie może osiągnąć gęstość zapisu rzędu terabita na cal i jest w stanie przechowywać dane przez 100 000 lat. Wiele firm pracuje nad technologiami, które zastąpiłyby wykorzystywane powszechnie pamięci flash. Spotykamy się z nimi w wielu miejscach: w aparatach fotograficznych, kartach pamięci, klipsach USB itp. Układy flas mają liczne zalety. Są układami nieulotnymi, co oznacza, iż po wyłączeniu zasilania dane nadal są przechowywane. Są stosunkowo tanie i energooszczędne. Mają jednak i wady, a do najpoważniejszych z nich można zaliczyć stosunkowo długi czas zapisu/odczytu, który powoduje, że np. aparaty fotograficzne nie mogą szybko wykonywać zdjęć, gdyż pamięci flash nie nadążają z zapisywaniem danych. Dlatego też trwają prace nad bardzo obiecującymi pamięciami zmiennofazowymi. Są one bardziej wydajne, odporne i mają prostszą konstrukcję, niż układy flash. Ich główną wadą jest fakt, iż trudno jest produkować je w skali właściwej dla współczesnych technik litograficznych nie niszcząc przy tym ich właściwości. Uczonym z University of Pennsylvania udało się pokonać tę trudność. Może to oznaczać, iż w najbliższym czasie będziemy świadkami rewolucji na rynku nieulotnych pamięci.

Naukowcy pracujący dla HP dokonali odkrycia, które pozwoli na przedłużenie ważności prawa Moore’a. Gordon Moore, współzałożyciel Intela, stwierdził, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 18-24 miesięcy. Stwierdzenie to dotychczas się sprawdza. Układy scalone osiągnęły już jednak taki stopień miniaturyzacji, że, jak twierdzą uczeni, w ciągu najbliższych lat dojdziemy do fizycznej granicy, poza którą nie będzie możliwe dalsze pomniejszanie elementów układu scalonego. Wówczas prawo Moore'a przestanie obowiązywać. Naukowcy przewidują, że po przekroczeniu granicy 20 nanometrów pojawią się poważne, trudne do przezwyciężenia przeszkody. Poniżej 10 nanometrów technologia CMOS osiągnie swe fizyczne granice. Tymczasem Intel rozpocznie w bieżącym roku produkcję układów w technologii 45 nanometrów. Pracownikom HP udało się połączyć tradycyjną technologię CMOS z podzespołami wielkości nanometrów. Powstał w ten sposób hybrydowy układ o dużym upakowaniu tranzystorów, mniejszym poborze prądu oraz znacznie bardziej odporny na wady produkcyjne, niż obecnie wykonywane kości. HP twierdzi, że nowa technika pozwoli na budowę układów, w których gęstość upakowania poszczególnych elementów będzie nawet ośmiokrotnie większa, niż w obecnie spotykanych kościach. Zastosowanie technologii CMOS oznacza natomiast, że obecnie stosowane linie produkcyjne wymagałyby jedynie niewielkich przeróbek, po których mogłyby produkować układy nowego typu. To znacząco obniża koszty zastosowania nowej technologii. Pomysł HP polegał na umieszczeniu przełącznika wykonanego w skali nano na strukturze stworzonej w technologii CMOS. Swoją architekturę HP nazywa FPNI (Field Programmable Nanowire Interconnect – programowalna struktura połączeń nanokablami). To odmiana stosowanej obecnie architektury FPGA (Field Programmable Gate Array – programowalna macierz bramek logicznych). To zarówno nowa architektura jak i nowy sposób tworzenia połączeń, który pozwala na zredukowanie przestrzeni potrzebnej do połączenia ze sobą tranzystorów – mówi Rob Lineback, analityk z IC Insights. Jeśli HP rzeczywiście opracowało coś, co zmienia reguły gry, może mieć to olbrzymie znacznie dla użytkowników końcowych. Dodaje jednak, że jest zawsze sceptyczny wobec podobnych doniesień. Tymczasem HP ogłosiło, że w ciągu roku pokaże działający prototypowy układ, wykorzystujący nową technologię produkcji. Pracujący dla tej firmy naukowcy stwierdzili, że "zachowawcza” odmiana ich technologii, która będzie korzystała z 15-nanometrowych nanokabli użytych w 45-nanometrowym procesie CMOS, będzie gotowa do wdrożenia nie później niż w 2010 roku.