10 необычных применений для нанотехнологий
Тяжело представить себе наше будущее без вездесущих нанотехнологий. Управление материей на уровне отдельных молекул и атомов проложило путь для серьезных порывов в химии, биологии и медицине. Однако прикладное применение нанотехнологий может быть гораздо шире и разнообразнее, чем мы думаем.
10. Нанокино
Сфера нанотехнологий могла бы остаться в жанре научной фантастики, если бы не изобретение сканирующего туннельного микроскопа. Атомная точность СТМ позволила физикам изучать структуру материала за пределами возможностей традиционных микроскопов.
Поразительный потенциал СТМ был продемонстрирован исследователями из компании IBM, когда они создали самый маленький в мире анимационный фильм — «Мальчик и его атом». Его «сняли», передвигая отдельные атомы на медной поверхности.
90-секундный фильм изображает мальчика из молекул окиси углерода, который играет в мяч, танцует и прыгает на батуте. Вся анимация состоит из 202 кадров и занимает пространство, сравнимое с 1/1000 толщины человеческого волоса. Чтобы сделать фильм, ученые использовали уникальное свойство СТМ — электрически заряженную и экстремально острую иглу с кончиком из одного атома. Игла способна считывать точные позиции молекул углерода на анимационной поверхности, в роли которой выступает медная пластина. Следовательно, ею можно делать изображения молекул, а также передвигать их на новые позиции, создавая анимацию методом стоп-моушен.
9. Добыча нефти
Глобальные расходы на разведку нефтяных месторождений в последнее время экспоненциально выросли. Однако эффективность нефтедобычи все еще остается важной проблемой. К тому моменту, когда компании сворачивают нефтяное месторождение, из него удается извлечь менее половины общего запаса. Оставшаяся часть нефти заключена в каменистых породах, где слишком дорого добывать, поэтому ее оставляют в покое. К счастью, ученые из Китая придумали способ, как этого избежать с помощью нанотехнологий.
Решение заключается в том, чтобы улучшить существующую технику бурения. Типичная методика подразумевает закачку воды в поры между камнями, где находится нефть. Это вымывает и выталкивает нефть наружу. Однако эта методика становится неэффективной, как только заканчивается нефть в самых легкодоступных порах. К тому моменту из скважины начинает выходить вода, а не нефть.
Чтобы этого избежать, китайские ученые Пень и Минь Юань Ли придумали идею подмешивать к воде специальные наночастицы, которые могут затыкать пустоты между камнями. Такой метод заставляет воду проходить по более узким путям к другим порам, где еще осталась нефть, и выталкивать ее наружу.
Этот метод успешно испытали на практике, и он доказал свою высокую эффективность, добывая те 50% черного золота, которые в противном случае остались бы недоступными.
8. Дисплеи с высоким разрешением
Изображение на дисплее состоит из маленьких точек, называемых пикселями. Количество этих пикселей на экране, независимо от их типа, оказывает большое влияние на качество изображения. Однако наращивание количества пикселей в традиционных дисплеях приводит к увеличению размера и массы, что накладывает очевидные ограничения.
Пока компании были заняты продажей своих гигантских телевизоров, ученые из Оксфордского университета нашли способ сделать пиксели размеров всего лишь в сотни нанометров. Этого удалось добиться, используя свойства материала с фазовым переходом под названием GST (сплав из германия, сурьмы и теллура), который применяется для управления температурой. В ходе эксперимента ученые поместили несколько слоев материала GST толщиной 7 нанометров между прозрачными электродами. Каждый слой размером 300×300 нм представляет собой пиксель, который можно электрически включать или выключать. Пропуская электрический ток через слои, ученым удалось вывести изображение с хорошим контрастом, причем цветность зависит от размера нижнего электрода.
Созданная таким способом матрица имеет огромную плотность пикселей и может работать как в режиме «цветного ридера», подражая E-Ink и Mirasol, так и с отдельной подсветкой для режима видео, по аналогии с LCD.
«Нанопиксели» пригодятся для многих целей, где традиционные технологии теряют практичность. К примеру, их малый размер и толщина придутся очень кстати в таких устройствах, как смарт-очки, гибкие экраны или искусственная сетчатка глаза. Другим преимуществом «нанопиксельных» дисплеев является очень низкое энергопотребление. В отличие от нынешних дисплеев, где требуется постоянное переключение пикселей, на дисплее из GST обновляется только нужная часть изображения, а статические пиксели не меняются. Это позволяет ощутимо экономить энергию.
7. Краска-хамелеон
Ученые Калифорнийского университета сделали потрясающее наблюдение в ходе экспериментов по созданию струн из золотых наночастиц. Они заметили, что оттенок золота меняется, если струны из частиц растягиваются или сокращаются. По словам одного из ученых, в плотных струнах мы видим красивый синий цвет, переходящий при легкой деформации в фиолетовый оттенок, а затем в красный.
Это открытие вдохновило ученых на создание сенсоров из наночастиц золота, которые меняют свой цвет, если приложить к ним давление.
Чтобы получить сенсор, золотые наночастицы нужно нанести на гибкую полимерную пленку. Если надавить на пленку, то она деформируется, и растянутые частицы меняют свой цвет. Легкое нажатие окрашивает сенсор в фиолетовый цвет, а сильное — в красный. Исследователи подметили это увлекательное свойство не только у частиц золота, но и у частиц серебра, приобретающих желтый окрас при деформации.
Такие сенсоры могут пригодиться для различных целей. Например, их можно встраивать в мебель наподобие диванов и кроватей, чтобы оценивать удобство посадки или сна. Несмотря на то, что сенсоры делаются из золота, они достаточно мелкие, чтобы вопрос стоимости не стоял слишком остро.
6. Зарядка телефона
Любой смартфон — от Apple, Samsung или любой другой марки — покидает завод с двумя печально известными особенностями. Речь, конечно же, про время автономной работы и время, которое требуется для полной зарядки батареи. Если первая проблема пока остается универсальной, то вторую проблему изрядно поубавили израильские ученые из города Рамат-Ган: они создали батарею, способную зарядиться всего лишь за 30 секунд.
Этот прорыв тесно связан с проектом по исследованию болезни Альцгеймера, проводившимся в университете Тель-Авива. Ученые обнаружили, что молекулы пептидов, которые «закорачивают» нейроны, вызывая саму болезнь, обладают очень высокой емкостью. То есть, они способны накапливать и хранить электрический заряд. Эта находка заинтересовала StoreDot — компанию, нацеленную на потребительские нанотехнологии и продукты. Опираясь на эти исследования, StoreDot разработали технологию NanoDots. Она использует свойства емкости пептидов, чтобы улучшить параметры батареи в смартфонах. Эти молекулы выступают в роли скоростного «буфера», который запасает энергию и затем передает на литиевые структуры аккумулятора.
Компания показывала прототип своей батареи на мероприятии Microsoft ThinkNext. Используя для демонстрации Samsung GALAXY S3, инновационную батарею зарядили с нуля до максимума меньше чем за минуту.
5. Продвинутая доставка лекарств
Лечение таких заболеваний, как рак, может быть чрезвычайно дорогим и, в некоторых случаях, запоздалым. К счастью, медицинские компании по всему миру ищут дешевые и эффективные способы борьбы с болезнями. Одна из них — компания Immusoft, которая хочет произвести настоящую революцию в том, как лекарства поступают в организм пациента.
Вместо того чтобы тратить миллиарды на лекарства и внешнюю терапию, Immusoft верят, что мы можем заставить организм вырабатывать лекарства своими силами.
При помощи иммунной системы можно перестроить клетки пациента и внедрить новую генетическую информацию, чтобы запустилось внутреннее «производство» лекарства. Эту генетическую информацию можно доставить в тело с помощью инъекции нанокапсул.
Новый метод пока еще не был протестирован на людях. Тем не менее, Immusoft и другие учреждения смогли провести успешные опыты на мышах. Если удастся доказать эффективность на людях, то такой метод значительно удешевит лечение кардиоваскулярных заболеваний и многих других недугов.
4. Молекулярное сообщение
Существуют случаи, когда электромагнитные волны — основа глобальных телекоммуникаций — становятся бесполезными. Представьте себе мощный электромагнитный импульс, который выводит из строя нашу спутниковую связь, а заодно и все технологии, опирающиеся на них. Этот пугающий сценарий знаком нам по фильмам про глобальные катастрофы. Более того, над этой проблемой годами бились в исследователи из университетов Великобритании и Канады, пока не придумали совершенно неожиданное решение.
Ученые наблюдали за тем, как некоторые животные, особенно насекомые, применяют феромоны для общения на далеких расстояниях. После сбора всех данных им удалось разработать метод коммуникации, в котором сообщения кодируются молекулами алкогольного пара.
Они успешно продемонстрировали новую технологию, используя протирочный спирт для передачи своего первого сообщения: «О, Канада».
В методе задействовано два устройства, одно из которых кодирует и передает сообщения, а другое выступает в роли приемника. Текст сообщения вводится в передающее устройство, сердцем которого является контроллер Arduino Uno, оснащенный ЖК-дисплеем и кнопками. Контроллер преобразует сообщение в двоичную последовательность, которая считывается электронным распылителем со спиртом. Распылитель передает двоичное сообщение серией импульсов, в которых распыление означает »1» (логическую единицу), а отсутствие распыления — »0». Затем алкоголь в воздухе улавливается приемником, состоящим из химического сенсора и микроконтроллера. Он-то и восстанавливает на экране исходное текстовое сообщение из двоичной последовательности.
Ученым удалось передать сообщение «О, Канада» на несколько метров в открытом пространстве. В результате некоторые ученые высказались в поддержку этого метода. Они думают, что это пригодится в условиях подземных тоннелей или трубопроводов, где электромагнитные волны быстро теряют эффективность. К тому же, электромагнитные волны не годятся для связи на молекулярном уровне: слишком маленькая получится антенна.
3. Хранение данных
В последние десятилетия компьютеры демонстрировали экспоненциальный рост как по мощности, так и по объему памяти. Этот феномен, предсказанный 50 лет назад Джеймсом Муром, стал широко известен как «закон Мура». Однако многие ученые, включая физика Мичио Каку, считают, что закон Мура теряет свое действие. Причина в том, что существующие производственные технологии уже не могут обеспечить устойчивый экспоненциальный рост мощности чипов.
Хоть речь идет о мощности процессоров (количестве транзисторов в чипе), то же самое касается и накопителей данных. К счастью, это еще не конец. Группа исследователей из технологического университета в Мельбурне занимается активным поиском альтернатив. Доктор Шарат Шримам возглавляет команду, которая вплотную приблизилась к созданию устройств для хранения информации, подражающих тому, как информация хранится в человеческом мозге. Исследователи сделали первый шаг и создали нанопленку, которая хранит состояния «включено» и «выключено» в виде электрических зарядов. Будучи в 10000 раз тоньше человеческого волоса, эта пленка может стать фундаментом для разработки новых устройств памяти, имитирующих нейронную сеть мозга.
2. Наноискусство
Научное сообщество не может нарадоваться многообещающим разработкам в области нанотехнологий. Тем не менее, нанотехнологические прорывы уже вышли за рамки медицины, биологии и инженерии. Одним из зарождающихся направлений является наноискусство, позволяющее нам видеть крошечный мир под микроскопом в совершенно новой перспективе.
Как видно из названия, наноискусство — это комбинация искусства и нанотехнологий, которую претворяют в жизнь отдельные ученые и художники. Один из них — Джон Харт, инженер механики из Мичиганского университета, который сделал нанопортрет президента США Барака Обамы.
Картина, названная «Нанобама», написана в поддержку предвыборной кампании 2008 года. Каждое лицо Нанобамы не превышает по размеру 0,5 миллиметра и целиком создано из 150 нанотрубок.
Чтобы получить портреты, Харт сначала сделал рисунок знаменитого постера «Надежда» в линиях. Затем он напечатал рисунок на стеклянной подложке, покрытой наночастицами, необходимыми для выращивания нанотрубок. Используя высокотемпературную печь, оставалось только вопросом времени, когда портрет будет готов к фотосъемке.
1. Битва рекордов
Человечество всегда стремилось к рекордам, чтобы сделать самые прочные, быстрые и, конечно, самые большие вещи. Но как только мы говорим про «малейшие» вещи — на сцену выходят нанотехнологии. Одной из самых маленьких вещей, созданных с помощью нанотехнологий, является книжка под названием «Подросток Тед из городка Репы». Она до сих пор удерживает рекорд как самая маленькая в мире книга.
Размер книги, сделанной в лаборатории наноизображений университета Саймон Фрейзер (Ванкувер), составляет лишь 70×100 микрометров. Ее буквы высечены на 30 страницах из кристаллического кремния.
Сюжет книги, которую написал Малкольм Дуглас Чаплин, рассказывает о подростке Теде и его триумфе в конкурсе репки на ежегодной ярмарке. Всего было издано свыше 100 копий книги. Но чтобы купить одну из них, нужно иметь толстый кошелек — одна копия стоит больше 15000 долларов. А еще вам понадобится электронный микроскоп, чтобы ее прочесть, так что его можно смело приплюсовать к стоимости.
Подготовлено по материалам Listverse.com
Михаил Кузнецов, mikhail.kuznetsov@corp.mail.ru
Полный текст статьи читайте на HI-TECH@Mail.Ru
