Нанотехнологии: сегодня и завтра (зарубежный опыт, обзор)
Аннотация
Новое открытие швейцарских ученых позволяет повысить эффективность фотоэлектрохимических ячеек … Исследователи из университета Миннесоты испытали новый материал, конвертирующий слабое рассеянное тепло в электрический ток способом, который никогда прежде не демонстрировался… Группа исследователей из Мексики сообщает, что они разработали новый метод получения биодизельного топлива… Американские ученые разработали первое наноустройство с автономным питанием, способное передавать данные по радиоканалу на большие расстояния…. Специалисты из исследовательского отдела вооруженных сил США разработали новое экологически чистое ракетное топливо, компоненты которого обладают меньшим корродирующим действием и меньшей токсичностью… Исследователи из Техасского университета разработали технологию изготовления и получили образцы углерода, который имеет сложную губкообразную трехмерную структуру, благодаря чему он может использоваться в качестве обкладок (электродов) будущего поколения суперконденсаторов… Учёные Хай-Цзюнь Цзинь (Hai-Jun Jin) из Института исследования металлов в Шеньяне (Китай) и Йорг Вайсмюллер (Jörg Weissmüller) из Гамбургского Технического университета разработали материал, который способен изменять такие свои свойства, как предел текучести, напряжение текучести и вязкость… Ученые из Университета Пенсильвании разработали метод интеграции биологических компонентов в электронные схемы…
Ключевые слова: нанотехнологии, наноматериалы, энергетика, новые материалы, нанороботы, управление свойствами, биоэлектроника.Ключевые слова:
Несмотря на экономический кризис, интерес к нанотехнологиям в ведущих индустриальных странах продолжает расти. За последние десять лет в Соединённых Штатах в разы увеличилось государственное финансирование научных исследований в этой области, выросло число научных публикаций, продолжает увеличиваться количество людей, занятых в нанотехнологиях. Кроме того, бурно развивается рынок конечной нанотехнологической продукции, рост которого в США достигает до 30 процентов в год.
Этот бурный рост подпитывается всё возрастающим ростом новых нанотехнологических продуктов и технологий. Так, в энергетике применение нанотехнологий постоянно расширяется. В частности, новое открытие швейцарских ученых позволяет повысить эффективность фотоэлектрохимических ячеек и даёт возможность производить более дешевое водородное топливо.
Обычно процесс включает в себя использование светочувствительных полупроводниковых материалов, таких как оксид меди, для обеспечения реакций, необходимых для выработки топлива. Хотя это очень дешевая технология, она сталкивается с серьезным препятствием – оксид меди, помещенный в воду, очень неустойчив к воздействию света. Исследование, проведенное Адрианой Парамчино (Adriana Paracchino) и Елияхом Тимсеном (Elijah Thimsen), решает эту проблему, с помощью покрытия полупроводника тонким слоем атомов.
Под руководством профессора Майкла Гратзела (Michael Gratzel) из Швейцарского федерального института технологий Лозанны, ученым удалось объединить две технологии, используемые современной промышленностью и применить их для производства дешевого водорода. Новая технология позволяет надежно защитить оксид меди от контакта с водой. Преимуществ множество: оксида меди много и он недорог, защитный слой полностью непроницаемым вне зависимости от формы поверхности (она может быть шероховатой для максимальной эффективности), но главное – процесс может быть легко расширен до промышленного масштаба.
Суть ноу-хау заключается в наращивании на поверхности оксида меди слоев оксида цинка и оксида титана в один атом толщиной. Используя технику ALD, ученые смогли выдерживать толщину защитного слоя с точностью до одного атома по всей поверхности полупроводника. Это гарантирует стабильную эффективность производства водорода. Следующим шагом в исследованиях будет улучшение электрических свойств защитного слоя.
Исследователи из Университета Монаша (Австралия) и Калифорнийского университета в Дэвисе (США) обнаружили процесс расщепления воды на водород и кислород, который может быть реализован в дешевом устройстве на основе марганцевого катализатора. С помощью современных спектроскопических методов исследователи тщательно изучали работу различных вариантов марганцевых катализаторов и обнаружили, что вода лучше всего разлагается на водород и кислород при превращении сложных марганцевых соединений в простой материал, называемый бернессит (соединение оксида марганца, кальция, калия и натрия). Реакция расщепления воды проходит в два этапа. Сначала две молекулы воды окисляются с образованием одной молекулы кислорода, четырех положительно заряженных ядер водорода (протонов) и четырех электронов. Затем протоны и электроны объединяются в две молекулы водорода (H2). Однако для коммерчески эффективного процесса производства водорода и кислорода требуется применение сложных катализаторов, которые снижают требуемый ток и увеличивают выход полезных газов. Основа работы марганцевого катализатора заключается в переходе между двумя его состояниями. Сначала при подаче электрического напряжения марганец-II превращается в марганец-IV со структурой бернессита. В солнечном свете бернессит опять превращается в марганец-II и весь процесс повторяется. Таким образом в процессе расщепления воды присутствует дешевый распространенный материал, а значит есть потенциальная возможность создать надежный долговечный катализатор, который может вырабатывать водород без дополнительного дорогостоящего обслуживания.
Солнечные батареи на основе полупроводникового полимера начала выпускать британская компания Oxford Photovoltaics. Ученые из университета Оксфорда, руководителем группы которых является Henry Snaith, модифицировали конструкцию солнечной батареи на основе красителя (еще их называют цветосенсибилизированными солнечными батареями или ячейками Гретцеля), заменив жидкий электролит на органический полупроводник р-типа. Это позволяет красителю отдать дырку непосредственно полупроводнику всего лишь за 1 пс (10-12с), что значительно быстрее окислительно-восстановительных процессов в электролите (1 мкс). Кроме того, TiO2-электрод заменили на электрод из оксида олова SnO2. Подвижность носителей заряда в SnO2 в 100 раз выше, чем подвижность носителей в TiO2, таким образом это может повысить КПД устройства до 20%.
Все чаще и чаще фотогальванические солнечные панели появляются на крышах зданий. Однако они — вовсе не обязательно лучшее решение. «Существенное ограничение таких панелей в том, что они могут использовать лишь ту фракцию солнечного света, что падает на них, в то время как большая часть превращается в теплоту, которая лишь создает помехи в работе панелей», пояснил аспирант Роберт Тейлор из Аризонского университета штата. Альтернативой, которая способна задействовать солнечный свет в полном объеме, включая тот, что не могут использовать фотогальванические панели, является солнечный тепловой коллектор. Цель таких коллекторов, многие из которых имеют форму блюд, панелей, труб, башен и т.д., заключается в сборе теплоты, которое затем может быть использовано для кипячения воды и производства пара, который, в свою очередь, воздействует на турбину для производства электричества. Чтобы и далее повысить эффективность солнечных коллекторов, Тейлор с коллегами подмешали наночастицы в теплопроводящее масло, обычно используемое в солнечных электростанциях. Выбор пал на наночастицы графита отчасти потому, что они черные и хорошо поглощают свет, что делает их высокоэффективными тепловыми коллекторами. В лабораторных испытаниях с небольшим коллектором-блюдом Тейлор с коллегами установили, что наночастицы повысили эффективность теплосбора на 10%!
Ученые из Чикагского университета опробовали перспективный способ создания полупроводниковых слоёв из раствора. В солнечной энергетике учёным приходится искать компромисс между стоимостью производства и эффективностью работы устройств. К примеру, полупроводниковую основу элементов большой площади гораздо удобнее формировать «печатным» способом, с применением растворов, но полученные слои будут иметь намного более низкую подвижность электронов, чем полупроводники, выращенные при высокой температуре из газовой фазы. Последний вариант изготовления оказывается менее экономичным. Исследователи попробовали увеличить подвижность носителей, доступную для «печатного» метода, задействовав в опытах коллоидный раствор нанокристаллов селенида кадмия CdSe. Для того чтобы отдельные частицы CdSe «склеивались», их поверхности функционализировали комплексами In2Se42–. Полупроводниковый слой из такого раствора можно сформировать при относительно низкой температуре в 200 ˚C. Измерения показали, что подвижность электронов в этом случае достигает 16 см2•В–1•с–1. «Указанная величина примерно на порядок превосходит значения подвижности для лучших из известных нам образцов, которые изготавливались аналогичными способами», — комментирует руководитель исследования Дмитрий Талапин.
Исследователи из университета Миннесоты испытали новый материал, конвертирующий слабое рассеянное тепло в электрический ток способом, который никогда прежде не демонстрировался. Учёные из США разработали экзотический сплав-мультиферроик, сочетающий необычайно «эластичные» магнитные и сегнетоэлектрические свойства. Физики сумели переплести на атомарном уровне ряд элементов так, что получился состав с упрощённой формулой Ni45Co5Mn40Sn10. В серии опытов он проявил поистине необычные возможности. В эксперименте сплав испытывал быстрые и обратимые фазовые превращения, в которых одно твёрдое тело сменялось другим по строению, но тоже твёрдым телом. В момент самого перехода сплав претерпевал резкое изменение магнитных свойств, которое было использовано в устройстве преобразования энергии. Во время демонстрации установки новый материал сначала пребывал в немагнитном состоянии, представляя по структуре мартенсит. Но когда температура незначительно повысилась, материал вдруг стал сильно ферромагнитным, обратившись при этом в аустенит.
Когда это произошло, сплав поглотил тепло и спонтанно обратил его в электричество при посредничестве окружающей деталь катушки. Некоторая доля тепловой энергии в таком цикле теряется в процессе, называемом гистерезисом. Критическое открытие команды – это способ минимизации гистерезиса при фазовом превращении.
Учёные подчёркивают перспективу новинки: «Теория предсказывает, что при оптимальных условиях производительность (нового метода конверсии) выигрывает в сравнении с лучшими примерами термоэлектричества. Из-за низкого гистерезиса сплава, перспективным направлением применения этой концепции представляется преобразование энергии при малых ΔT. Это предлагает новый путь к освоению огромного количества энергии, накопленной на Земле в виде небольшой разницы температур».
Группа исследователей из Мексики сообщает, что они разработали новый метод получения биодизельного топлива из отработанного соевого масла с помощью гашеной извести. Разработчики предполагают, что новый метод может лечь в основу экологически и экономически «дружественного» получения биотоплива. Идея возделывания сельскохозяйственных растений исключительно для производства топлива многократно подвергалась критике по ряду причин – такой подход связан с потерей полезных площадей плодородной земли, вырубкой лесов, разрушением экологических систем, а также с необходимостью «побочного» расходования водных ресурсов. В связи с этим более перспективным сырьем для получения биотоплива являются отходы растительного масла, и многие исследовательские группы уже ищут способы получения топлива из этих отходов. Исследователи из группы Мануэля Санчеса-Канту (Manuel Sánchez-Cantú) обнаружили, что еще одним «перспективным» отходом многих промышленных производств является гашеная известь (гидроксид кальция), которая может образовываться в качестве побочного продукта пищевой промышленности, очистки воды и нефти. Ранее было продемонстрировано, что негашеная известь (оксид кальция) эффективно катализирует метанолиз – переэтерификацию растительных жиров, приводящую к образованию метиловых эфиров высших карбоновых кислот и глицерина. Реакцию этерификацию проводили в течение двух часов при температуре 60°C, конверсия масла достигала 100%, также было обнаружено, что гашеная известь-катализатор может быть использована три раза без потери активности (начиная с четвертого использования выход целевого продукта начинает снижаться до 60-70%). Пол Борьессон (Pål Börjesson) из Университета Лунда отмечает, что применение такого сочетания – катализатора – технически доступного крупнотоннажного реагента и отхода пищевой промышленности в качестве сырья является очевидным преимуществом нового метода.
Американские ученые разработали первое наноустройство с автономным питанием, способное передавать данные по радиоканалу на большие расстояния. Коммерческий выпуск нанороботов на его основе может привести к революции во многих областях человеческой деятельности, от медицины до разведки. Устройство изобретено исследователями из Школы материаловедения и технических наук Технологического института штата Джорджия. Как утверждают Чжун Линь Ван и его коллеги, ими доказана возможность разработки крошечных имплантируемых медицинских датчиков, бортовых и стационарных камер наблюдения и датчиков, носимых электронных девайсов и других устройств, которые будут работать независимо от батарей или внешнего источника питания, получая энергию из окружающей среды.
Генератор может вырабатывать электропитание от тока крови в сосудах, движений человека при ходьбе, от ветра, звуковых волн, солнца, химических реакций, температуры окружающей среды и других внешних источников энергии. Он представляет собой консоль, состоящую из пяти слоев: гибкой полимерной подложки, пленок из оксида цинка на верхней и нижней поверхности, нанопроводов и электродов.
Эта Разработка финансируется Агентством передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).
И это не единственная военная нанотехнология. Пентагон подписал с компанией Boeing 16-месячный контракт стоимостью 4,2 млн долл. на разработку 25-кВт боевого лазера высокой яркости. Новый лазер, создаваемый в рамках проекта специального "лазерного" управления Министерства обороны HEL-JTO, будет выполнен на базе перспективной технологии тонких дисков (Thin Disk Laser или TDL). Целью нового проекта американских военных является создание прототипа боевого TDL-лазера, который должен отличаться высокими яркостью и электрической эффективностью.
Лазер на тонких дисках способен генерировать излучение очень большой мощности и с импульсами разной длительности. Основной особенностью технологии TDL является малый размер активной зоны лазера: для излучателя мощностью в десятки киловатт она может иметь диаметр от 10 мм и толщину до 300 мкм. Конструкция диска и принцип его работы позволяют организовать эффективное охлаждение активной зоны и обеспечивают оптический КПД (соотношение мощности накачки к мощности излучения) до 70%. При этом выходная мощность луча может повышаться простым увеличением размера активной зоны. Потенциально боевой TDL-лазер будет компактнее нынешних военных лазеров сходной мощности, при этом он будет потреблять меньше энергии и не потребует сложных и громоздких систем водяного охлаждения.
Эффективное отслеживание врагов имеет в Пентагоне высокий приоритет. Так, ВМС США подписали $450-млн. контракт с компанией Blackbird Technologies на производство крошечных маяков, для отслеживания местоположения террористов. В прошлом году Министерство обороны США выделило 210 млн долл. на поиск новых передовых методов установки маркеров для сопровождения и обнаружения местоположения объектов. Список направлений этого исследования удивительно разнообразен. Озвучены различные идеи: от однозначно идентифицируемых феромонов насекомых, до инфракрасных приборов, которые отслеживают людей по тепловому отпечатку пальцев. Компания Voxtel в рамках этого проекта разрабатывает крошечные нанокристаллы, которые невидимы в прозрачной жидкости, но отлично видны в очки ночного видения. ВВС хотят получить также другую технологию – «умную пыль», которая представляет собой облако крошечных датчиков, приклеивающихся к коже человека или его одежде. Беспилотный аппарат должен выбросить пылевидное облако меток, излучающих электромагнитный сигнал. Для этого необходимо разработать технологии высотного «опыления» или малый боеприпас, который будет с высокой точностью наносить пыль на преследуемый объект. Для нанесения меток лучше всего подойдут миниатюрные дроны, электронные «насекомые», которые активно разрабатываются рядом американских компаний и научных учреждений при участии специалистов оборонного научного агентства DARPA. ВВС США планируют в скором времени получить дроны, которые смогут предугадывать поведение пилотов других летательных аппаратов. Среди рядовых контрактов, подписанных недавно американским военно-авиационным руководством, имеется соглашение от 23 декабря прошлого года. Оно заключено с компанией Soar Technology, которая при содействии Мичиганского университета обязуется разработать систему Explanation, Schemas, and Prediction for Recognition of Intent in the Terminal area of operations (ESPRIT). Беспилотные летательные аппараты (БЛА), хотя и не требуют тотального контроля со стороны оператора, всё же не могут обходиться без людского внимания. Там, где лётная активность высока, существует опасность столкновения с пилотируемыми самолётами. Система ESPRIT как раз нацелена на повышение автономности БЛА и предотвращение таких ситуаций путём анализа поведения находящегося поблизости пилота. Специалисты Soar Technology считают, что когнитивные технологии сделают беспилотную авиацию дешёвой, эффективной и не нуждающейся в пристальном внимании диспетчеров и прочего обслуживающего персонала. Наделить БЛА искусственным интеллектом ради предотвращения воздушных аварий обещает и компания Stottler Henke Associates, также подписавшая контракт с американскими ВВС. Планируется, что новейшие беспилотные микроаппараты, в отличие от нынешних, смогут летать и выполнять задания самостоятельно, без помощи человека. Также их можно будет запрограммировать на то, чтобы наносить удары по определенным мишеням, вести поиск ядерного оружия и даже искать пострадавших от стихийных бедствий.
Для их разработки инженеры взяли за образец движения птиц и насекомых. Причем ученых больше заинтересовали крылья насекомых, например бабочки-бражника, а не крылья птиц. Дело в том, что траектория движений пернатых гораздо более сложна, а летающих жуков скопировать куда проще. "Мы ищем способы сделать так, чтобы наши устройства остались незамеченными на виду у всех", - рассказывает инженер Грег Паркер. Держа в руках модель маленького беспилотника, инженер пояснил, что этот "механический ястреб", издающий при полете угрожающее жужжание, управляется компьютером. Пентагон резко увеличил использование беспилотных самолетов за последние два года. Как сообщается, ведомство уже запросило у Конгресса США почти $5 млрд для покупки беспилотных летательных аппаратов в следующем году.
Высокая температура трансформирует графен в миллиарды микроскопических углеродных нанотрубок, тем самым создавая основу для технологии, которая, по словам авиаконструкторов, будет спасать жизни. Никхил Кораткар, доцент Политехнического института Ренсселира говорит, что при помощи этого материала можно обнаруживать и ремонтировать трещины в обшивке самолетов. По его словам, добавление даже небольшого количества углеродного материала в крылья может сделать их прочнее и безопаснее.
Никхил говорит: «Когда появляются микротрещины, на начальной стадии формирования, наличие наноматериала приводит к тому, что трещина растет намного медленнее». В то время как обнаружить повреждения в аллюминии достаточно легко, трещины в прочном композиционном материале выявить намного сложнее, поскольку они обычно появляются внутри крыла. Найти их можно только при помощи ультразвука. Углеродные нанотрубки микроскопичны. Миллиарды таких трубок равномерно распределяют в эпоксидной смоле, из которой потом создают разнообразные конструкции. Этот материал также проводит электричество. Это свойство инженеры могут использовать для обнаружения трещин. «Каждый раз, когда есть трещина, то, как меняется направление разряда, может показать степень повреждения».
После обнаружения трещины можно разогреть поврежденную область и склеить разрыв, достигая до 70% первоначальной прочности, что позволяет обезопасить самолёты от спонтанного разрушения.
Специалисты из исследовательского отдела вооруженных сил США разработали новое экологически чистое ракетное топливо, компоненты которого обладают меньшим корродирующим действием и меньшей токсичностью, чем обычно использующиеся компоненты ракетного топлива. Ракеты обычно летают на двухкомпонентном ракетном топливе, которое состоит собственно из топлива и окислителя, которые при контакте самопроизвольно воспламеняются, выделяя значительное количество энергии. Окислители, как правило, представляют собой азотную кислоту или димер оксида азота(IV), которые отличаются высокой корродирующей способностью и способностью выделять токсичные пары, топливом является гидразин, который является токсичным и отличается невысокой устойчивостью. Стефан Шнайдер (Stefan Schneider) с коллегами из Исследовательской Лаборатории ВВС США уверен, что ему удалось подобрать подходящее топливо для окислителя – пероксида водорода. Топливо, которое предлагается использовать, представляет собой ионную жидкость с высоким содержанием водорода. Применение ионных жидкостей для перевода гидридов металлов в жидкое состояние для использования их в качестве топлива предпринимался и ранее, однако такие «сжиженные» гидриды отличались низкой реакционной способностью. Исследователи из группы Шнайдера продемонстрировали, что комбинацию ионной жидкости с боргидридом алюминия, позволяющую получить комплексные анионы, например, Al(BH4)4–, можно рассматривать как получение «конденсированной формы водорода, стабилизированной ионами металлов». Разработчики взяли хлорид тригексилтетрадецилфосфония [trihexyltetradecylphosphonium (THTDP) chloride] и заместили хлорид-анион на боргидрид-анион. Образовавшийся (THTDP)BH4 реагировал с избытком боргидрида алюминия, образуя стабильную при комнатной температуре ионную жидкость, в состав которой входит анион Al(BH4)4–. Испытания показали, что параметры взаимодействия полученной ионной жидкости с пероксидом водорода соответствует параметрам, необходимым для успешного применения смеси окислитель/восстановитель в качестве двухкомпонентного ракетного топлива.
Много новых разработок делается и в области наноматериалов различного назначения. Так, профессор Рональд Остербака и Даниэль Торбьёрк из Центра функциональных материалов (FUNMAT) при Академии Або (Финляндия), пытаются получить низковольтные органические транзисторы и технологию их промышленного нанесения, к примеру, на картонную упаковку. Коробки с продуктами питания можно было бы превратить в настоящий тачскрин, который сообщал бы информацию о состоянии находящегося внутри товара, рассказывает г-н Торбьёрк. Сферами применения «электропроводимой» бумаги должны стать производство сенсоров, устройств хранения энергии, антистатических покрытий, электромагнитной защиты и т. д. По сравнению со стеклом или пластиком бумага – малоудобный материал для размещения электроники. Как поясняют исследователи, её отличают шероховатая поверхность, пористость и химические примеси. В то же время она имеет ряд преимуществ: гибкость, низкую стоимость и возможность переработки. Словом, специалисты FUNMAT заручились поддержкой производителей бумажной продукции и намерены довести дело до коммерческой пригодности своей разработки.
Учёные Юго-Восточного университета (Китай) сконструировали устройство на основе метаматериалов, которое уменьшает видимые размеры объектов, находящихся в его центре. Форму предмета, помещённого в круговую область радиусом а (см. рис. ниже), приспособление не меняет, создавая изображение области с радиусом с < а и соответствующим образом уменьшая сам предмет. Одновременно с сокращением размеров изменяются наблюдаемые свойства материала (диэлектрическая и магнитная проницаемости), из которого изготовлен образец. Эта конструкция действует подобно неидеальному маскирующему устройству (у идеального радиус с просто был бы равен нулю). В спроектированную китайцами структуру входят восемь концентрических элементов высотой 12 мм, на которые нанесены часто используемые при подготовке метаматериалов резонаторы типа «разрезное кольцо». Устройство имеет небольшие размеры и рассчитано на работу в микроволновой области на частоте 10 ГГц. Его параметры подбирались таким образом, чтобы радиус «виртуальной» области с был равен 8 мм. В область, ограниченную концентрическими элементами, ставили квадратный медный предмет размером 30 мм, а также круглые металлические и диэлектрические объекты. По утверждению авторов, результаты экспериментов прекрасно согласовались с данными моделирования, и устройство давало «хороший эффект уменьшения».
Компания Ricoh представила своё последнее достижение – «электронную бумагу», которая способна показывать цветные изображения. По сравнению с существующими и анонсированными аналогами, яркость белого цвета повышена в два с половиной раза, а количество отображаемых цветов увеличено четырёхкратно. При этом, затраты электроэнергии новым устройством продолжают оставаться невысокими, а производство – недорогим. Для её создания инженеры Ricoh использовали многослойную структуру. Внутри дисплея содержатся три слоя органического электроматериала, формирующего основные цвета – голубой, пурпурный и жёлтый. Как и другие аналогичные устройства, она не имеет подсветки, что делает её очень экономичной. Руководство компании считает, что применение её технологии в устройствах для чтения существенно расширит сферу их использования.
Исследователи из Техасского университета разработали технологию изготовления и получили образцы углерода, который имеет сложную губкообразную трехмерную структуру,благодаря чему он может использоваться в качестве обкладок (электродов) будущего поколения суперконденсаторов. «Мы синтезировали углерод со структурой, подобной структуре губки, имеющий площадь поверхности 3.1 квадратный метр на грамм вещества. Электрическая проводимость этого углерода так же была повышена в несколько раз по сравнению с простым углеродом, графитом» – рассказывает ведущий исследователь, профессор Родни С Руофф (Prof Rodney S Ruoff). – «Процессы и технологии, использованные нами, полностью масштабируемы и могут быть легко реализованы на уровне массового производства такого материала». Процесс, разработанный техасскими учеными для производства нового вида углерода, использует источники мощного микроволнового излучения. Энергия этого излучения расслаивает обычный графит, на короткое время превращая его в окись графита. Эта окись графита, опять же под воздействием микроволнового излучения, моментально распадается, вступая в реакцию с соединением калия, которое, в свою очередь преобразуется в гидроокись калия. В результате получается углеродная «губка» состоящая из огромного количества микроскопических отверстий, заполненных гидроокисью калия, которая при растворении водой выступает в качестве токопроводящего электролита.
Учёные Хай-Цзюнь Цзинь (Hai-Jun Jin) из Института исследования металлов в Шеньяне (Китай) и Йорг Вайсмюллер (Jörg Weissmüller) из Гамбургского Технического университета разработали материал, который способен изменять такие свои свойства, как предел текучести, напряжение текучести и вязкость. Материал имеет гибридную наноструктуру, состоящую из прочной металлической основы и электролита – в качестве второго элемента. Для изменения вышеуказанных свойств требуется воздействовать на изделие электрическим током определённого потенциала, что осуществляется через внешний интерфейс. Подобный подход позволяет пользователю изделия делать его, при необходимости, более мягким, если нужна его дополнительная обработка, после чего он снова становится твёрдым. Для создания инновационного материала ученые использовали простой процесс – коррозию. Металлы, обычно драгоценные, такие как золото или платина, помещаются в кислотный раствор. Вследствие коррозии в металле формируются мелкие каналы и отверстия. Получаемый в результате реакции наноструктурный материал пронизан сетью каналов и пор. Поры пропитываются проводящей жидкостью, к примеру, обычным соляным раствором или раствором кислоты, и получается настоящий гибрид металла и жидкости. Под воздействием электрических сигналов это объединение металла и воды позволяет свойствам материала меняться.
Ученые из Университета Пенсильвании разработали метод интеграции биологических компонентов в электронные схемы. Новая технология позволяет не только создавать биоэлектрические схемы, работающие на открытом воздухе, но и изучать электрические свойства подобных устройств. Новая биоэлектрическая схема состоит из искусственных белков, пептидных спиралей с фотоактивными молекулами внутри. Эти белки расположены на электродах, которые передают электрические заряды между металлическими и неметаллическими элементами. При облучении белков светом они превращают фотоны в электроны и передают их на электроды. Исследователи создали новый способ измерения электрических свойств белков, чтобы их можно было использовать не только в лабораторном растворе, но и в обычных «бытовых» электронных схемах. Для решения этой задачи команда исследователей разработала новый тип атомного силового микроскопа, который обеспечивает пространственное разрешение от нескольких нанометров до отдельных атомов. Ноу-хау заключается в использовании металлической иглы микроскопа (так называемого кантилевера) для создания колеблющегося электрического поля, с помощью которого определяется реакция электронов биоэлектрической схемы. Определив эту реакцию, можно изучать сложные взаимодействия внутри цепи, а также ее свойства, например электрическую емкость. Для создания биоэлектрических схем изобретатели используют метод самосборки белков авторства Богданы Дишер (Bohdana Discher) и новую методику штамповки пептидов на графитовые листы электродов.
Биоэлектроника может найти широчайшее применение. Наиболее очевидные области приложения: фотоэлектрические панели, а также биохимические датчики, способные реагировать на присутствие в воздухе определенных токсинов.
Прогресс в области нанотехнологий очевиден и реальные технологии завтрашнего дня создаются учёными различных стран, как в США, Европе так и теперь в Китае.