Инновации в промышленности

«Эти результаты могут оказать влияние на очень  широкий спектр областей в науке  и технологиях», - говорит одна из авторов работы, профессор Конни Чен-Хаснейн (Connie Chang-Hasnain). Действительно, все растущие требования к производительности и компактности электронных устройств заставляют ученых обращать самое пристальное внимание на способности фотонов излучения служить более эффективными переносчиками информации, нежели электрические сигналы. Считается, что именно переход к использованию фотонов ознаменует новый прорыв в области электроники.

Кремний, служащий фундаментом современных микросхем, для генерации излучения крайне малоэффективен. Поэтому инженеры обратились к полупроводникам, состоящим из элементов III и V групп Периодической таблицы – галлия, алюминия, мышьяка, бора, фосфора, индия… Они уже показали себя очень удачными материалами для использования в составе светодиодов и лазеров.

К сожалению, объединить кремний и III-V-полупроводники на единой оптоэлектронной микросхеме оказалось  не так просто. «Вырастить пленку III-V-полупроводника на кремниевой подложке – это как  состыковать вместе два несовпадающих  кусочка паззла, - говорит студент Роджер Чен (Roger Chen), один из членов группы Конни Чен-Хаснейн, - В принципе, такое возможно, но в процессе структура обоих кусочков нарушается». Более того, идеально было бы научиться объединять кремниевые и III-V-полупроводниковые элементы с учетом технологий, использующихся современной электронной промышленностью.

«Современную  производственную инфраструктуру менять трудно и по технологическим, и по экономическим соображениям, - поясняет Конни Чен-Хаснейн, - Так что создание совместимого решения – вопрос критической важности. Одна из вызванных этим проблем состоит в том, что производство III-V-полупроводниковых компонентов требует высоких температур, 700 градусов и даже выше, что для кремниевой электроники просто губительно».

И все-таки, группе Чен-Хаснейн удалось соединить  несоединимое, научившись выращивать нити индий-галлий-арсенида (InGaAs) на кремниевой подложке и при довольно умеренной температуре – порядка 400 ^ОС. Секрет тут оказался в переходе к наномасштабам. Получив готовые нанонити, ученые с успехом продемонстрировали их способность генерировать излучение в ближней ИК-области спектра (950 нм) уже при комнатной температуре. Образуемые нанонитями структуры с гексагональной симметрией сами по себе создают эффективный «туннель» для движения фотонов. Излучение, двигаясь внутри него по спирали, усиливается за счет работы «оптического резонатора».

Развитие этой молодой области науки и технологий, называемой фотоникой, позволит сделать компьютеры и другие электронные устройства намного более экономичными и эффективными. Новые источники света были названы спейзерами (Spaser). Ученые считают, что данная разработка позволит создать сверхбыстрые усилители, логические элементы и микропроцессоры, на несколько порядков превосходящие по своей производительности традиционные кремниевые аналоги. Однако, это самые оптимистические оценки. Так, по мнению профессора Калифорнийского университета Риверсайда Сахрата Хизроева, несмотря на огромную значимость проделанной работы, спейзеры, по всей видимости, найдут свое первое практическое применение не в качестве базовых элементов оптических компьютеров, а в производстве различных устройств магнитного накопления и хранения данных. «Магнитные носители, — говорит профессор, — использующиеся сегодня для жестких дисков, фактически уже достигли физических пределов своих возможностей, и одним из наиболее перспективных способов увеличения их эффективности как раз и может стать применение нанолазеров для сверхточечного нагревания этих носителей в процессе записи информации».

Чернее черного: Наномрак

Черное всегда черно? Не совсем. И создание идеально черных материалов – важная задача и для современной электроники, и для астрономических исследований.

Сегодня чувствительность приборов такова, что на счету в  буквальном смысле слова каждый фотон, и избавиться от них – значит улучшить получаемые данные. Ожидается, что новый наноматериал будет делать это вдесятеро эффективнее использующегося сегодня специального черного красителя. 

Для этого технологи  намерены упаковать нанотрубки в плотными вертикальными слоями, как ворс ковра. По расчетам, до 99,5% фотонов, попавших на такой «ковер», будут им поглощены. Для нашего глаза он будет невероятно черным – а кроме того, достаточно надежным для использования в условиях космоса, в работающих на орбите телескопах. 

Создать такой  материал оказалось непростой задачей. Обычно для выращивания нанотрубок используется подложки из кремния, на который укладывается слой содержащего железо катализатора. Такой «бутерброд» помещается в камеру, заполненную содержащим углерод газом, и нагревается до 750° C и выше. Ученым пришлось испробовать самые разные подложки и толщину каталитического слоя, чтобы получающаяся структура из нанотрубок оказалась максимально надежно закрепленной на субстрате. Им это удалось: материал в итоге крайне непросто «отскоблить» от подложки.

Строительный  микроб

Студенческая  исследовательская группа из Университета Ньюкасла вырастила весьма полезных микробов, которые способны «заштопать»  мелкие трещины в бетоне с помощью  вырабатываемого ими связывающего вещества. «BacillaFilla», как окрестили эту бактерию, проникает в трещины и «расползается» внутри. Достигнув дна трещины, BacillaFilla начинает производить смесь карбоната кальция и бактериального клея. Этот «строительный раствор», заполненный нитеобразными бактериальными клетками, связывает стенки трещины, увеличивая прочность конструкции и продлевая срок её эксплуатации.    
 
Команда получила «золото» на международном конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machines), который проводился в Массачусетском технологическом институте, США. Руководитель проекта, преподаватель д-р Дженнифер Холлинен (Jennifer Hallinan) говорит, что «бактериальный» способ ремонта будет более благоприятным для окружающей среды, чем производство бетона и возведение новых конструкций. «Это может быть особенно полезным в сейсмоопасных районах, где сотни зданий идут на снос только потому, что в настоящее время нет простого способа их ремонта».  
 
Споры BacillaFilla начинают прорастать только при контакте с бетоном, реагируя на специфический pH материала. В геном бактерии встроен ген «самоуничтожения», поэтому она не способна выжить в условиях окружающей среды.  
 
Сформировавшиеся на поверхности бетона бактериальные клетки начинают проникать в трещины на его поверхности. В районе дна трещины бактериям становится «тесно» и клетки начинают слипаться друг с другом. Это служит сигналом к началу дифференциации бактериальных клеток. Одни из них начинают вырабатывать карбонат кальция, другие – бактериальный клей, а третьи выступают в роли «армирующего волокна». В результате такого разделения труда трещина заполняется связывающим веществом и перестает представлять угрозу прочности конструкции. 

Живое плюс неживое

Научная фантастика буквально кишит живыми созданиями с необычными, искусственно приданными им способностями, «усиленными» всевозможной электроникой и прочей неживой материей. В реальности, однако, соединить  живой и неживой миры оказывается  совсем непросто. Лишь недавно ученым удалось создать инструмент прямой передачи электронов через клеточную  мембрану и создавать ток в  подведенном электроде. Такая клетка может получать электрический сигнал и отвечать на него – а мы в  будущем можем получить электронику, способную воспроизводить и ремонтировать  себя самостоятельно.

«Просто взять  и соединить живую и неживую  материю – это и вправду  фантастика, - говорит Каролина Эджо-Франклин (Caroline Ajo-Franklin), одна из авторов работы, - Допустим, вы возьмете очень тонкий и достаточно прочный электрод и попытаетесь воткнуть его в клетку. Результат будет предсказуем: она погибнет».

Опасно даже и переносить просто так значительные количества электронов сквозь мембрану клетки, что способно нарушить ее функционирование или, опять же, убить. И если вам  подобное, все-таки, удастся, не имеется  средств, способных уловить электроны  сразу на выходе из клетки и направить  их в нужном направлении.

Ученые решили пойти другим путем. Для начала они культивировали анаэробные бактерии «Shewanella oneidensis», обладающие способностью восстанавливать соединения тяжелых металов в условиях отсутствия кислорода – иначе говоря, переносить на них электроны. Для «Shewanella oneidensis» эта способность – все равно что для нас дыхание.

Из этих бактерий были выделены гены, ответственные  за этот перенос электронов из клетки наружу, и перенесены в обычную «Escherichia coli», пожалуй, самого любимого объекта генетических и биохимических исследований. В итоге они получили штамм, способный переносить электроны из клетки на внешнее неорганическое соединение, точнее говоря, на оксид железа – знакомую всем ржавчину. Эксперимент подтвердил, что эта генно-инженерная кишечная палочка действительно восстанавливала наночастицы оксида железа.

Казалось бы, слишком «мелочная» работа? Как бы не так. Она – часть огромного направления по новому «одомашниванию» живых организмов человеком, теперь уже на молекулярном уровне. Научившись «скрещивать» живую материю с неживой, мы получим невероятные перспективы использовать ее возможности. Например, получать энергию.

Та же группа ученых уже планирует повторить  перенос тех же генов уже не в E.coli, а в какой-нибудь фотосинтезирующий микроорганизм. Такая бактерия, способная генерировать электроны в процессе фотосинтеза, затем сможет выдавать их на внешний электрод – и мы получим дешевую, самоподдерживающуюся и самовоспроизводящуюся, живую солнечную батарею.