Часть 5

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.

По мотивам "Терминатора"

Думаю, большинство читателей КВ видели фильм "Терминатор-2: Судный день". А значит, помнят терминатора модели T-1000, состоящего из жидкого металла, способного принимать любую внешность и практически неуязвимого. Как водится, фантастика не так уж принципиально опережает реальность.

Группа инженеров из нескольких университетов Австралии сумела разработать нанопокрытие, которое заставляет капли сплава под названием галинстан сохранять форму даже после сильной деформации. Для справки: галинстан - это низкотемпературный сплав галлия (68,5%), индия (21,5%) и олова (10%). Температура плавления -19 градусов Цельсия, то есть, в нормальных условиях галинстан представляет собой жидкий металл. При этом галинстан не токсичен, и поэтому используется как безопасный аналог жидкой ртути в лабораторных экспериментах и термометрах.

Австралийские инженеры использовали в качестве нанопокрытия разные материалы: оксиды вольфрама, цинка и индия, а также наноразмерный порошок тефлона и углеродные нанотрубки. Все они давали примерно одинаковый эффект: капли жидкого галинстана благодаря покрытию стремились сохранять свою шарообразную форму, внешне напоминая твердый металл.

В ходе эксперимента его авторы показали, что капли сплава, лишенные покрытия, при падении на твердую поверхность теряли форму и становились конусовидными. Однако капли галинстана, обработанные специальным порошком, пружинили подобно мячикам.

Сами авторы эксперимента признают, что пока не видят какого-либо практического применения необычных капель. Единственное - такой жидкий металл с заданной формой хорошо проводит ток, а потому потенциально способен найти применение в гибкой электронике.

Тверже алмаза

Мы привыкли считать алмаз самым твердым веществом в мире. Во многом из-за своей твердости алмазы находят широкое применение в промышленности - в основном для обработки различных твердых материалов, от гранита до высокопрочной стали. Но современным производствам уже не хватает даже твердости алмаза, и ученые принялись за поиски еще более твердых материалов.

Первым таким веществом стал лонсдейлит - модификация углерода, которая отличается от алмаза тем, что у алмаза атомы углерода упакованы в кубическую решетку, а у лонсдейлита - в гексагональную. Из числа неуглеродных материалов одним из самых твердых является нитрид бора. Но эти вещества известны уже довольно давно. Теперь же материаловеды стараются побить рекорды плотности, переходя на более высокий уровень организации вещества - наночастицы.

Группа китайских физиков под руководством Юнцзюня Тяня из университета Яньшаня в городе Циньхуандао сумела сделать нитрид бора еще прочнее. В качестве исходного материала китайские ученые использовали давно известный эльбор. Это кубическая модификация нитрида бора, которая более всего похожа на алмаз, и которая наравне с техническими алмазами сегодня используется в черновой и финишной обработке деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, добывающей промышленности.

Физики взяли "похожий на лук" по своей слоистой структуре нитрид бора, и сжимали его под прессом при температуре в 1,6 тыс. градусов. Полученные таким образом образцы ("зерна") материала тщательно измельчили, после чего "просеяли" через наносито. В результате удалось достичь потрясающе низких размеров зерен - 3,8 нм, тогда как ранее ученым удавалось получить лишь наночастицы размером в 14 нм.

Далее полученные наночастицы снова спрессовываются - при этом им придается необходимая для промышленного применения форма.

В ходе эксперимента ученые пытались измельчить "зерна" прессованного нитрида бора еще сильнее, стараясь создать еще более твердый материал. Но тут выяснилось, что еще более измельчать не имеет смысла: площадь поверхности наночастиц оказывается слишком велика, и силы, действующие на этих поверхностях, уже не дают зернам "склеиться" в полноценный материал.

Но и то, что получилось при размере наночастиц 3,8 нм, впечатляет своей комбинацией высочайшей твердости, жесткости и химической стабильности. А это означает, что новый материал получит широкое применение в промышленности.

Панцирные моллюски научили выращивать кристаллы

Внимание ученых, изучающих кристаллы, в очередной раз привлекли механизмы, давным давно разработанные природой. В данном случае речь идет о панцирных моллюсках Cryptochiton stelleri, которые научились выращивать в своих зубах кристаллы магнетита - оксида железа Fe₃O₄, самого твердого из известных биоминералов. Панцирные моллюски (они же - "хитоны") - это древние морские беспозвоночные, которые питаются водорослями, растущими на прибрежных камнях. Чрезвычайно твердые зубы, собранные в характерную "терку" - так назваемую радулу - нужны хитонам для того, чтобы соскребать водоросли с камней.

Американские ученые из Калифорнийского университета выяснили, что в зубах моллюсков кристаллы магнетита особым образом ориентированы и имеют специфическую форму. Исследователи решили выяснить природный механизм роста кристаллов в зубах. Как оказалось, формирование строго определенных кристаллов магнетита в зубах моллюсков происходит благодаря специальной хитиновой матрице. Хитин - характерное для членистоногих особо прочное углеводное соединение, обычно используемое природой для создания экзоскелета насекомых. Однако панцирные моллюски используют хитин, чтобы задавать направление роста кристаллов магнетита. В результате сформированные в хитиновом слое кристаллы оказываются узкими и вытянутыми в одну сторону - как раз такими, какие нужны моллюску.

Как говорят ученые, характеризуя свое исследование, понимание того, как моллюски выращивают кристаллы, может иметь большое значение для создания новых композитных материалов. Это могут быть как просто механически твердые вещества для различных отраслей промышленности, так и особо емкие электрические аккумуляторы или солнечные батареи с КПД, повышенным благодаря ориентированным кристаллам кремния.

Как создать память для квантового компьютера

Европейские физики из института имени Лауэ-Ланжевена в Гренобле провели комплекс исследований наномагнитов на основе кольцевых органических комплексов, которые несут несколько атомов металлов. Спины электронов обладают в таких системах необычными свойствами, что объясняется строгим конечным размером последних. Такого рода комплексы рассматриваются учеными в качестве потенциальных первичных элементов будущих устройств хранения информации в квантовых компьютерах.

Физики из Гренобля изучили динамику поведения спинов в системе наномагнитов, облучив их комплексы нейтронами. Исследователи облучали кристаллические образцы пучком нейтронов и фиксировали их рассеяние. Эксперимент показал, что поведение спинов электронов в таких системах можно измерить напрямую, без использования компьютерного моделирования. Проведенные измерения позволили составить карту магнитных моментов в комплексе и проследить их динамику.

Несколькими годами ранее математики из Массачусетского технологического института теоретически доказали, что в квантовых системах с тремя состояниями спина запутанность растет с увеличением количества частиц. Потенциально в будущем это может позволить инженерам создавать квантовые системы с большим количеством одновременно запутанных частиц. Такие системы будут востребованы для проведения всяких относительно сложных квантовых вычислений.

Виктор ДЕМИДОВ