Графен стал основой материала, в 10 раз более прочного и в 20 раз более легкого, нежели чем сталь


То, что вы видите на первом из приведенных здесь снимков, является моделью структуры нового искусственного материала, имеющего целый ряд уникальных качеств. Этот материал невероятно прочен, он обладает высокими электрическими, тепловыми, оптическими и химическими свойствами. А основой этого является графен, которому исследователи из Массачусетского технологического института искусственно дали третье пространственное измерение, получив материал, в десять раз более прочный и в двадцать раз более легкий, нежели чем сталь.

Графен очень давно привлекает внимание ученых-материаловедов. Однако, в своем нормальном виде он имеет форму плоских листов, толщиной в один атом углерода, которые теоретически могут иметь любую длину и ширину. Для того, чтобы сделать графен более технологически приемлемым материалом, ему требуется придать трехмерную форму, но все предыдущие попытки сделать это приводили к тому, что значения всех основных параметров, в том числе и прочности конечного материала, снижались на несколько порядков по отношению к аналогичным параметрам графена.

В попытках решить вышеописанную проблему, группа из Массачусетского технологического института сконцентрировала свои усилия в большей части на геометрической конфигурации нового материала, нежели чем на его составе и структуре. Для начала ученые произвели анализ поведения графена в различных условиях с уровнем детализации вплоть до атомарного уровня. На базе полученных данных была составлена математическая модель, которая полностью соответствовала результатам экспериментов. И уже на базе этой модели исследователи провели изучение поведения графена при его сжатии и растяжении.

Исследователи выяснили, что маленькие частицы графена, подвергнутые воздействию высокой температуры и давления, формируют прочные и стабильные пористые структуры, имеющие огромное значение соотношения площади поверхности к занимаемому объему. И из этого пористого материала можно достаточно простым путем создавать предметы и детали, которые способны выдерживать весьма значительные нагрузки.


Для проверки своих расчетов исследователи использовали трехмерный принтер с высокой разрешающей способностью, при помощи которого были созданы пластиковые модели, имеющие трехмерное строение, подобное строению графенового материала. И на этих моделях была выполнена проверка их прочности на сжатие и растяжение, а полученные результаты были сравнены с результатами теоретических расчетов.

Проведенные тесты показали, что материал, являющийся трехмерной формой графена, при плотности в пять процентов от плотности стали имеет в десять раз большую прочность. При этом, данные показатели не имеют никакого отношения собственно к графену, их значения определяются геометрией структуры материала. И даже если заменить графен каким-нибудь металлом или полимером, то такой трехмерный материал сохраняет соотношение увеличения прочности по отношению к прочности исходного материала.

Расчеты математических моделей дали исследователям несколько невероятных результатов. К таким экзотическим вариантам можно отнести структуру графенового материала, плотность которого меньше плотности воздуха и который должен плавать в пространстве словно шарик, надутый гелием. Однако, дальнейшее моделирование показало, что такой материал будет неминуемо разрушен воздействием нормального атмосферного давления.

Согласно исследователям, область применения результатов их работы необычайно широка. Материалы, имеющие "графеноподобную" трехмерную структуру могут использоваться для создания объектов из полимеров, бетона и т.п. При этом, такие объекты будут обладать высокой прочностью, долговечностью и превосходными теплоизолирующими свойствами. Кроме этого, пористые материалы могут выступать в роли электродов "вечных" аккумуляторных батарей, в качестве катализаторов и фильтрующих элементов, используемых в химической промышленности.


Источник

Физикам удалось охладить объект ниже точки квантового предела при помощи "сжатого" света


Ученым-физикам из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) удалось охладить микроскопический механический объект столь глубоко, что его температура упала ниже точки так называемого квантового предела. Этим объектом являлся крошечный "барабан", вибрирующая алюминиевая мембрана, энергия которой после охлаждения составила одну пятую от энергии одного кванта. Новая технология охлаждения теоретически может использоваться для того, чтобы охладить объекты до температуры абсолютного нуля, температуры, при которой любая материя полностью лишается всей тепловой энергии и движения.

"Чем меньшую температуру может иметь объект, тем это лучше для некоторых областей" - рассказывает Джон Теуфель (John Teufel), ученый-физик из NIST, - "Датчики, в которых такие объекты являются чувствительными элементами, смогут обрести большую точность и разрешающую способность. А если использовать такие объекты в квантовых вычислениях, то это позволит избежать возникновения ошибок".

Алюминиевый барабан представляет собой диск, диаметром 20 микрометров и толщиной 100 нанометров, который включен в сверхпроводящую электронную схему. Эта схема сделана так, что колебания мембраны оказывают влияние на микроволновые лучи, отражающиеся от электромагнитной впадины. Микроволновые лучи являются одной из форм электромагнитного излучения, это вид своего рода "невидимого света", только с меньшей, чем свет, частотой и большей длиной волны соответственно.

Фотоны микроволнового излучения, попавшие внутрь впадины, изменяют свою частоту. Эти изменения частоты соответствуют частоте колебаний мембраны. В результате этого возникает колебательная система, имеющая определенную резонансную частоту.

Ученым из NIST ранее удалось охладить мембрану "барабана" до низкоэнергетического состояния, при котором его энергия соответствует одной третьей части от энергии кванта. Для этого использовалась технология, имеющая мудреное название "sideband cooling", в которой используется микроволновое излучение с частотой ниже резонансной частоты системы. Под влиянием этого излучения в цепях вокруг впадины начинают двигаться электрические заряды, под воздействием которых возникают фотоны света, имеющие более высокую частоту, нежели резонансная частота системы. Когда впадина заполняется фотонами больше определенного предела, некоторые из фотонов покидают ее, унося с собой частичку энергии, что и приводит к охлаждению элементов системы.

Такая технология охлаждения очень похожа на технологию лазерного охлаждения, которая была разработана в 1978 году и которая достаточно широко используется для охлаждения отдельных атомов в атомных часах.

Для достижения более низкой температуры, ученые NIST использовали так называемое "сжатие" света. Сжатие является квантово-механическим явлением, в котором шум и другие нежелательные колебания отделяются и изолируются от основной частоты колебаний света, не затрагивая ход эксперимента. Для реализации сжатия ученые использовали специальную схему, действующую как шумоподавитель и которая производит фотоны, полностью лишенные посторонних колебаний, таких, как колебания их интенсивности.

"Шум, заключенный в фотонах, приводит к нарушению гармоничности колебаний системы и, следовательно, к ее нагреву" - рассказывает Джон Теуфель, - "Мы сжали свет до самого высокого уровня и получили фотоны с необычайно стабильной интенсивностью. Эти фотоны сильны и хрупки одновременно". Теоретические расчеты и проведенные эксперименты указывают на то, что использование сжатого света позволяет избавиться от общепринятого предела охлаждения. При этом, все это затрагивает более крупные объекты, имеющие более низкую резонансную частоту, которые очень трудно поддаются охлаждению до температур, близких к точке абсолютного нуля.

Ученые из NIST считают, что такой охлажденный "барабан" может стать кубитом (квантовым битом) гибридного квантового компьютера, компьютера, в котором используются и квантовые, и механические элементы.

Источник

Созданы транзисторы, способные растягиваться в два раза без ощутимых потерь их проводимости и других параметров


Международная группа исследователей, возглавляемая исследователями из Стэнфордского университета, разработала гибкие и эластичные транзисторы нового типа, которые могут быть растянуты в два раза по отношению к их первоначальному размеру. При этом, такие транзисторы сохраняют практически неизменными их электрическую проводимость и прочие параметры, что позволит создать на их базе новый тип электронных устройств, закрепляемы непосредственно на поверхности кожи человека или на поверхности движущихся предметов.

Для изготовления гибкого и эластичного транзистора исследователи использовали полупроводниковый полимер DPP-TT, слой которого был нанесен на слой упругого полимера SEBS. Такая комбинация была выбрана из-за того, что оба этих полимера, в силу особенностей их структуры не перемешиваются даже за счет диффузии в месте их контакта.

На основание полимера SEBS через маску были нанесены участки полимера DPP-TT и в результате был получен эластичный тонкопленочный транзистор, толщиной в несколько десятков нанометров. Следует отметить, что в процессе изготовления таких транзисторов используется только специализированный принтер, а сам процесс производится без использования высоких температур, как при производстве обычных транзисторов на базе кремния.

Параметры эластичного транзистора проверялись при помощи специального механизма, способного растянуть пленку в разных направлениях с определенным усилием. В ходе этих проверок было установлено, что некоторые из образцов транзисторов смогли без ущерба их функциональности перенести двойное растяжение во всех направлениях. При этом, снижение проводимости транзистора колебалось в пределах от 0.59 до 0.55 см^2/В*с, а структура транзистора может выдержать изгиб полимерного основания более 100 раз.

Для демонстрации возможностей применения новых транзисторов исследователи изготовили нечто вроде эластичного бинта с простенькой электронной схемой, который был обернут вокруг сустава одного из сотрудников, который носил все это в течение достаточно долгого времени.

Исследователи отмечают, что такой же технологический процесс может быть использован не только для производства транзисторов, при его помощи можно изготавливать целый ряд полупроводниковых приборов, из которых, в свою очередь, можно делать достаточно сложные электронные устройства. И сейчас разработанная учеными технология привлекла к себе внимание со стороны руководства института Samsung Electronics Institute of Technology, которое увидело во всем этом путь к созданию носимых электронных устройств следующего поколения.

Источник

Исследователи создали крошечные лазеры при помощи серебряных наночастиц


Исследователи из университета Аальто (Aalto University), Финляндия, разработали и создали первые образцы так называемых плазмонных нанолазеров, крошечных лазеров, излучающих свет видимого диапазона. Такие лазеры, размер которых в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса и которые обладают высоким быстродействием, являются перспективными источниками когерентного света, которые могут быть встроены в структуру оптико-электронного чипа и могут стать его "движущей силой".

Нанолазер представляет собой некоторое количество серебряных наночастиц, расположенных в узлах периодической решетки. В отличие от традиционных лазеров, где когерентный свет получается за счет использования зеркал, в нанолазере используется оптическое "сцепление" между плазмонами, возникшими на поверхности серебряных наночастиц. Расстояние между наночастицами, размер которых равен приблизительно 100 нанометрам, подобрано так, что оно является кратным длине волны излучаемого света, а собственно наночастицы выступают в роли наноантенн, которые излучают когерентный свет, действуя в унисон с другими наночастицами. А для усиления света и придания ему монохромности используются специальные органические флуоресцентные молекулы.

Основная проблема в деле получения когерентного света внутри столь крошечных устройств заключается в том, что путь, который проходят фотоны света, чрезвычайно короток для того, чтобы все фотоны света "синхронизировались" друг с другом и стали когерентными. Ученые из Финляндии решили эту проблему достаточно необычным путем.

"Принцип работы нашего устройства очень наглядно демонстрируется следующим примером. Если взять единственную антенну, то излучаемый ею сигнал будет весьма силен. Но если очень близко расположить две одинаковые антенны и подать на них противофазный сигнал, то их суммарное излучение будет крайне слабым" - рассказывает профессор Пайви Термэ (Paivi Torma), - "Наночастицы в матрице нашего нанолазера работают в качестве противофазных антенн, частота излучения которых соответствует частоте света видимого диапазона".

"Такой способ с первого взгляда кажется бесполезным, ведь весь свет попадает в ловушку между наночастицами и не может выйти наружу" - рассказывает Томми Хэкэла (Tommi Hakala), сотрудник научной группы, - "Для решения данной проблемы нам пришлось сделать "запасной выход" для света. Эти выходом являются наночастицы на краях матрицы, которые отличаются от остальных наночастиц и действуют как обычные антенны, направляющие свет во внешнюю среду".


Источник

Создан первый прозрачный OLED-дисплей с графеновыми электродами


Гибкий, прозрачный и чрезвычайно прочный графен также является отличным проводником тепла и электрического тока, что делает этот материал одним из самых перспективных кандидатов на его использование в следующем поколении электронных устройств. Не так давно исследователи из института Органической электроники, электронно-лучевых и плазменных технологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP), Германия, создали первый в своем роде прозрачный OLED-дисплей, все электроды внутри которого изготовлены из графена. И данное достижение открывает путь к разработке целого ряда новых компонентов и устройств, включая гибкие и прозрачные сенсорные экраны, различные датчики и элементы высокоэффективных солнечных батарей.

Электроды, соединяющие матрицу светоизлучающих элементов на базе органических светодиодов (OLED, organic light-emitting display), охватывают область, размером 2 на 1 сантиметр. Они были созданы путем процесса химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD), в котором используется камера с атмосферой из метана и водорода, и медная пластина, нагретая до температуры в 800 градусов Цельсия.

На поверхности медной пластины, которая выступает в качестве катализатора, происходит химическая реакция, в ходе которой расщепляются молекулы метана. Выделившиеся при этом атомы углерода оседают на поверхности меди и формируют слой графена одноатомной толщины. По завершению формирования графеновой пленки все это охлаждается и на поверхность графена наносится полимерный защитный слой, выступающий в роли прозрачного основания будущего дисплея. Получившаяся двухслойная структура отделяется от основания и с нее химическим способом удаляются остатки меди, после чего на полимерном основании остается слой чистого графена необходимой формы и размеров.

Следует отметить, что созданный немецкими учеными дисплей является не первым дисплеем с графеновыми электродами, но он является первым, использующим OLED-технологию. А эта технология, как хорошо известно, позволяет создавать полноцветные экраны с высоким контрастом, цветопередачей и быстрым временем отклика.

"Первые коммерческие продукты на базе разработанной нами технологии могут появиться на рынке уже через два-три года" - рассказывает доктор Беатрис Бейер (Beatrice Beyer), руководитель данного проекта. А работы в рамках проекта выполнялись сотрудниками института Фраунгофера совместно с сотрудниками испанской компании Graphenea S.A. и британской компании Aixtron Ltd., которая изготовила реакторы нового типа для процесса химического осаждения графена.

Источник