Часть 4

Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат её - принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике. Давайте же посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение в 2012 году.

Нестандартный омнифоб

Если какая - либо поверхность одинаково плохо смачивается и водой, и маслами (то есть, отталкивает любые типы жидкостей), она называется омнифобной. В природе такие поверхности почти не встречаются, так что физикам приходится создавать их искусственно. И вот ученым из Университета Мичигана (США) удалось разработать омнифобную поверхность, которая отталивает вообще все жидкости, включая неньютоновские.

Справка "КВ"

Неньютоновскими называются жидкости, вязкость которых зависит от скорости, с которой движутся разные ее части. Чаще всего это жидкости, имеющие сложную структуру на микроскопическом уровне. Пример - концентрированный раствор (коллоидная взвесь) крахмала в воде. При вибрации или ударе такой раствор ведет себя как твердое тело. Например, по бассейну, наполненному раствором крахмала в соотношении 1:1, можно бегать - это довольно известный фокус.

Чаще всего омнифобные поверхности получают так: покрывают поверхность специальным веществом, после чего текстурируют основу. Текстурируют так, чтобы на поверхности возникали микроскопические "штырьки" или "лепестки". Именно благодаря им достигается омнифобность: площадь контакта капли с поверхностью сводится к минимуму.

Но американские ученые действовали иначе. Они придавали поверхности омнофобные свойства, покрывая ее мелкоячеистой металлической сеткой с полимером. Между переплетениями такой сетки под каплей жидкости образуются микроскопические пузырьки воздуха, которые не дают ей растекаться по поверхности.

На практике такого рода омнифобная поверхность может быть использована для защиты чувствительных деталей от химического повреждения, особенно в экстремальных условиях. Авторы эксперимента продемонстрировали это, опустив в кислоту защищенную по новой технологии алюминиевую пластину.

Квантовая спиновая жидкость оказалась твердой

Ученым впервые удалось создать вещество, пребывающее в третьем магнитном состоянии. Из учебников физики мы знаем, что магнитное состояние материала определяется ориентацией магнитных моментов его электронов. Ферромагнетиками называют вещества, обладающие магнитным моментом. У них ориентация разных молекул в веществе локально совпадает. Но если отдельные магнитные моменты ориентированы в противоположные стороны, их действие взаимно компенсируется. Получается вещество называемое антиферромагнетиком.

Однако в конце ХХ века физики-теоретики доказали возможность существования веществ, у которых ориентация магнитных моментов постоянно меняется. С точки зрения магнитных свойств такие вещества ведут себя как жидкости, хотя могут находиться в различных физических состояниях. Из-за этого свойства им дали общее название - квантовая спиновая жидкость (QSL).

И вот теперь физики из Массачусетского технологического института впервые экспериментально показали возможность существования веществ в состоянии квантовой спиновой жидкости. Чтобы получить такое вещество, они синтезировали монокристалл минерала гербертсмитита (химическая структура ZnCu₃(OH)₆Cl₂, антиферромагнетик, назван по имени минералога Герберта Смита, впервые обнаружен в Чили в 1972 году). Далее этот кристалл был подвергнут жесткому облучению нейтронами.

Дальнейшее исследование показало, что "преображенный" материал ведет себя полностью так, как предсказывает теоретическая модель квантовой спиновой жидкости.

По словам ученых, создание реально существующих квантовых спиновых жидкостей крайне важно для изучения высокотемпературной сверхпроводимости и квантового запутывания в твердых веществах.

Нитки из углеродных нанотрубок

Я уже не раз писал о том, что углерод во всех его проявлениях (особенно в виде графена) - излюбленный объект экспериментов современных физиков. Чего только из него не творят! Теперь вот исследователи из института Райса сумели создать из углеродных нанотрубок длинные волокна - полноценные нити, - которые обладают высокой электропроводностью и прочностью, превосходящей сталь.

Технология изготовления подобных нитей такова: нанотрубки сперва растворяют в хлорсульфоновой кислоте, после чего продавливают сквозь микроскопические отверстия. Полученные тончайшие нити затем пропускают сквозь другую жидкость и наматывают на барабан, одновременно переплетая их между собой.

Прежде ученые считали, что такой процесс получения волокон неприменим к нанотрубкам. Дело в том, что обычно в рамках этой технологии используется вода, а хлорсульфоновая кислота активно реагирует с водой. Но ученые сумели решить эту проблему.

В результате получились уникальные волокна, в которых нанотрубки ориентированы вдоль направления нитей. Именно этот фактор делает их настолько высокопрочными. Ну а хорошая электропроводность - это естественное свойство чистого углерода. По этим параметрам (прочность и проводимость) новые волокна на целый порядок превосходят другие аналогичные волокна. Гибкость и прочность волокон аналогична кевлару, а электропроводность - аналогична алюминию и меди.

По мнению самих авторов исследования, волокна из нанотрубок будут востребованы, прежде всего, при изготовлении многожильных проводов ("шин") для электронной аппаратуры. Сегодня для их производства используются металлические провода, однако они имеют избыточную толщину из-за недостаточной гибкости. Что затрудняет изготовление особо компактных электронных устройств.

Аккумулятор-ионистор

Американские инженеры из Северо-Западного Университета США создали (пока в виде прототипов) гибкие и прозрачные ионисторы - в дальнейшем они могут стать источниками питания для мобильных устройств следующего поколения. Ионисторы, также называемые суперконденсаторами - это отдельный класс электрических устройств, нечто среднее между классическими конденсаторами и химическими аккумуляторами. В ионисторах в качестве конденсаторных обкладок используются слои ионов на границе электрода и электролита. Чем больше площадь этой границы, тем, соответственно, больше и емкость устройства. Характерные преимущества ионисторов перед другими источниками питания - возможность быстрой зарядки, а также малая деградация даже после тысяч рабочих циклов.

Сделать ионисторы одновременно прозрачными и гибкими ученым позволили тонкие углеродные пленки необычной формы. Их поверность была глубоко текстурирована в форме так называемых "углеродных наночашек". Такая текстура позволила увеличить поверхность соприкосновения между пленкой (она выступает в роли электрода) и наполнителем - полимерным электролитом.

В результате получился прозрачный и гибкий прототип аккумулятора-ионистора. Ученые опубликовали в Сети видео, на котором батарея нового типа используется для питания светодиода. При этом сам ионистор для наглядности помещен поверх экрана смартфона. Видно, что ионистор очень хорошо пропускает свет, хотя и не является совершенно прозрачным, то есть, его все же не получится размещать поверх экрана в какой-нибудь экзотической конструкции смартфона.

Создание гибких электронных устройств - один из самых молодых технологических трендов. Очевидно, что новая разработка американских инженеров позволит сделать электронные устройства не только гибкими, но и прозрачными. Тем более что технологии изготовления многих других компонентов таких устройств - к примеру, сенсорных панелей и экранов, уже существуют.

Чип с эффектом светового радара

Инженеры-электронщики сумели разместить на микрочипе аналог фазированной антенной решетки - в данном случае, правда, работающей со светом. Такая микросистема позволяет направлять свет в нужном направлении и потенциально способна формировать голографическое изображение. Эта работа выполнена в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT).

В современных военных радарах вместо одного движущегося источника радиоимпульсов применяется неподвижная решетка (матрица) из множества отдельных излучателей. Фаза волны в этих излучателях строго контролируется. Интерференция волн между соседними излучателями позволяет создать луч, узко направленный в определенную сторону. Изменение фазы в отдельных излучателях, заставляет такой луч "бегать" вдоль горизонта с очень большой скоростью - именно поэтому компактные и эффективные, но крайне дорогие радары с фазированной антенной решеткой используются в современных истребителях.

В MIT воспроизвели принцип работы фазированной антенной решетки на двух кремниевых микрочипах. Оба варианта устройства - это упорядоченные в решетку микроантенны, соединенные кремниевыми волноводами. Свет они получают от внешнего источника - лазера.

Первый вариант - статический, в этом случае на подложке расположено 4096 антенн рядами 64 на 64. Попадая на микрочип, свет от лазера распространяется по устройству и формирует при помощи интерференции статичную картинку. Второй вариант - динамический, в нем использовано меньше антенн - 8 на 8 рядов. Зато в этом случае они могут менять свою фазу, то есть получаемое изображение способно перемещаться.

Как сказано в отчете разработчиков системы, существующая технология не ограничивает размер антенной решетки - то есть потенциально ее можно сделать очень большой. В таком случае устройство может стать источником голографического изображения - оно обязательно окажется востребованным в технике, медицине или для создания мечты голливудских кинофантастов - голографических дисплеев.

Виктор ДЕМИДОВ