Нанотехнологии и их развитие в мире и в России как зеркала технологического будущего

Опубликовано 09.02.2012
Олег Фиговский   |   просмотров - 2798,   комментариев - 1
Нанотехнологии и их развитие в мире и в России как зеркала технологического будущего

Олег Львович Фиговский,

академик Европейской академии наук, директор INRC Polymate (Израиль) и NTI (США), член Центрального правления Нанотехнологического общества России.


По мере развития нанотехнологий увеличиваются и объемы массово выпускаемой продукции на их базе. Это электронные устройства на базе графена и нанотрубок, дисплеи, антенны и аккумуляторы, пищевые продукты, лекарства, одежда. Ведущие государства находятся в состоянии своего рода гонки нанотехнологии, ведь преимущества инноваций очевидны, а создавать свое гораздо дешевле, чем покупать чужое, тем более что никто не станет делиться самыми передовыми технологиями, а лишь втридорога продавать то, что уже освоено.

Руководство России в последние годы неоднократно заявляло о том, что делает ставку на высокие технологии. В частности, сейчас создается научно-технический центр в Сколково. Время для того, чтобы занять место под солнцем на рынке нанотехнологий, еще не упущено окончательно, научный потенциал России находится не в глубоком нокауте, как порой представляется. Следует отметить, что именно развитие промышленного внедрения нанотехнологий и есть то, чего сейчас не хватает России, то есть, образно говоря, в бизнесе нет спроса на науку. Однако президент Нанотехнологического общества России доктор технических наук В. А. Быков указал в ходе онлайн-конференции, что в настоящее время в России технологии вплотную приблизились к возможности промышленной реализации. «Накопилась некая критическая масса знаний, – объясняет ученый, – из которых уже можно спланировать реальный производственный бизнес с окупаемостью в разумные сроки. Это основа для серьезных государственных инвестиций».

Недавно проведенные социологические исследования показали, что жизнью в России довольны две категории людей: те, кто не в курсе, и те, кто в доле, 68% россиян с доходами выше среднего по стране хотели бы, чтобы их дети учились и работали за границей. 37% хотят, чтобы их дети жили за границей постоянно. И это вызывает вопрос, а кто будет создавать инновационные технологии и, прежде всего, нанотехнологии.

Сегодня Россия занимает меньше 2% в мировом ВВП. Основными статьями экспорта (по данным ФТС) является газ и нефть (70%), первичные металлы (15%), круглый лес (10%), все остальное, включая оборудование, вооружение и технологии – менее 5%. Сексуальные услуги стали в нынешней России чуть ли не второй занятостью, а более 60% российских женщин вообще не видят смысла в интимных отношениях с партнером, если не получают от них материальных выгод.

В рейтинге Doing business, определяющим удобство ведения бизнеса, за последний год Россия упала сразу на 7 позиций, заняв 123-е место из 183-х возможных. В рейтинге восприятия коррупции страна откатилась на десятилетие назад, став 154-й – примерно на уровне с Таджикистаном, Папуа новой Гвинеей, Конго и Камбоджей. За последние 20 лет число общеобразовательных школ в России сократилось на 19 тысяч. Россия вошла в десятку самых опасных стран мира для инвестиций. По мнению Political Risk Atlas 2011, Россия входит в число стран с чрезвычайно высокими политическими рисками и самой нестабильной бизнес-средой. 1,5% населения РФ владеет 50% национальных богатств. По данным ЦСИ «Росгосстраха», в России годовой доход более $1 млн. у 160.000 человек, годовой доход более $100.000 имеют 440.000 семей. 92% крупной российской промышленности, банков и пр. – это иностранная собственность. Только в банках Швейцарии находится около $25 млрд. российского происхождения. На 30.000 питерских бездомных приходится менее трехсот мест в ночлежках. Всего в России насчитывается 101 миллиардер с совокупным капиталом в $432,7 млрд. Российские миллиардеры платят самые низкие в мире налоги (13%), которые не снились их коллегам во Франции и Швеции (57%), в Дании (61%) или Италии (66%). Только в России налог на дивиденды по акциями ниже подоходного, всего каких-то 9%.

По оценке аналитиков Массачусетского кризисного центра, контролировать нынешнюю территорию России населением менее 50 млн. человек невозможно чисто физически, т. к. расчетная плотность населения, в этом случае, составит менее 2,9 человек на квадратный километр. (Плотность населения США составляет 26,97 человек на квадратный километр). Учитывая все вышеизложенное, несложно предположить, что России может отказаться в этой ситуации уже через 3-5 лет. По прогнозу известного эксперта-политолога Збигнева Бжезинского, Россия, как единое государство, прекратит свое существование. Причиной станет полный износ промышленного оборудования, электроэнергетики и жилищно-коммунальной сферы, массовая безработица, а также падение цен на нефть и, как следствие, неисполнение бюджета. Россия, скорее всего, распадется в ближайшие годы на 6-8 государств. Новые государства станут зоной нестабильности и будут разделены на сферы влияния мировых лидеров, Об этом говорится в докладе ведущих аналитических центров, который размещен на сайте ЦРУ США.

Вышеприведенные данные, опубликованные агентством РиФ 25 января 2012 года, безусловно не бесспорны, но заставляют еще раз задуматься над вопросом, кто и как будет осуществлять технологическую модернизацию России и кто будет разрабатывать и осваивать новейшие нанотехнологии, которые создаются в мире со все нарастающей скоростью.

Все более увеличивается интенсивность новых разработок в мире, которые захватывают все отрасли народного хозяйства. Так, американские ученые сделали новый шаг в технологию печатной электроники. Группа исследователей из Йельского университета разработали универсальную методику создания композитных материалов из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и различных функциональных полимеров.

По способу, предложенному исследовательской группой во главе с Ли Сяокаем (Li Xiaokai) сначала изготавливается раствор нанотрубок в карбоксиметилцеллюлозе. Он в избытке наносится на перемещающуюся подложку, с которой излишки раствора механически удаляются при прохождении препятствия – цилиндрического вала со спиральной насечкой. При этом от размера вала и насечки значительно зависит толщина получаемого покрытия. Карбоксиметилцеллюлоза удаляется в свою очередь посредством кислотной обработки, и на стеклянной подложке остается покрытие из углеродных нанотрубок. После на него наносится необходимый полимер, который заполняет полости углеродного покрытия. Все полученные покрытия по своим свойствам не уступают, а зачастую и превосходят аналоги. Кроме того, ученые утверждают, что их технология идеально подходит для создания гибких проводящих материалов (полученное проводящее покрытие можно отделить от стеклянной подложки), а значит, способна вытеснить общераспространенные в органических светоизлучающих диодах и фотоэлементах покрытия на основе ИТО-стекла (стекла, покрытого проводящим оксидом индия и олова). Таким образом, предложенная методика позволяет легко и сравнительно дешево получать композитные материалы для энергосберегающих технологий. Кроме того, она может быть масштабирована до промышленного производства и легко изменена для работы с новыми полимерами в зависимости от возникающих потребностей.

Американские специалисты по строительным материалам пытаются создать самовосстанавливающий бетон с помощью биоминерализации. Споры бактерий, естественным образом вырабатывающих карбонат кальция, будут помещаться в бетонную смесь и активироваться при образовании трещин. «Бетон в основном обладает малым сопротивлением растяжению и сильным – сжатию, – поясняет соавтор исследований Парамита Мондаль из Иллинойского университета в Урбане и Шампейне. – Люди пытались справиться с этой проблемой на протяжении многих лет разными способами. Самым распространенным решением стало укрепление бетона стальной арматурой, но трещины все равно появляются». В природе бактерии, вырабатывающие карбонат кальция, играют важную роль в формировании карбонатных пород и отложений – например, известняка. Осталось найти такой вид, который будет активным в бетоне, то есть в условиях высокой щелочности и низкого уровня кислорода. В данном случае ученые первыми опробовали Bacillus pasteurii – непатогенные микроорганизмы, обычно встречающиеся в почве. Специалисты показали, что при оптимальных условиях эти бактерии способны образовывать известняковые отложения. «Тогда мы добавили их вместе с питательными веществами в цемент, – рассказывает г-жа Мондал. – И получили такие же отложения. Химический анализ засвидетельствовал, что это все тот же карбонат кальция». В конце концов, группа исследователей надеется показать, что после введения этих микроорганизмов в бетон во время смешения они образуют споры или входят в спящий режим, попадая в высокощелочную среду. Как только образуется трещина, уровень рН в ней должен упасть в результате контакта поверхности материала с воздухом. Снижение рН, а также приток кислорода и углекислого газа в трещину разбудит микроорганизмы и обеспечит им благоприятные условия для роста. Постепенно произведенными ими карбонат кальция заполнит трещину, подача кислорода и углекислого газа будет прервана, и бактерии снова заснут – до следующего раза. Ранее свой вариант заделывания трещин в бетоне с помощью бактериального клея предложили британские ученые.

Традиционные методы диагностики прочности больших конструкций сложны, требуют уйму времени, серьезного оборудования, высококвалифицированного персонала, а потому безмерно дороги. Прикладная наука не стоит на месте, что демонстрируют исследователи из Университета Стратклайд (Глазго, Шотландия), работающие над новым способом такого рода испытаний. Всем будет заниматься почти обычная краска, которая поможет выявить на ранней стадии микроскопические дефекты в конструктивных элементах ветряков, шахтных опор, мостов и пр. К ней лишь нужно присоединить активные электроды, и тогда никакие микротрещины, могущие со временем перерасти в дефекты, которые погубят всю конструкцию, не страшны. Во всяком случае, на это рассчитывает д-р Мохамуд Саафи, возглавляющий факультет гражданского строительства вуза. По его словам, развитие технологии «умной краски» далеко продвинет индустрию неразрушающего контроля крупномасштабных сооружений и объектов.

При производстве краски используется зольная пыль (отходы сжигания угля) и относительно недорогие высокоупорядоченные углеродные нанотрубки. В готовом виде краска по физическим свойствам похожа на цемент, поэтому ее можно применять в агрессивных средах, там, где погодные условия затрудняют обычные методы. Мониторинг осуществляется через сеть беспроводных датчиков, к которым «подключена» чудо-краска. Сенсоры при поступлении к ним тока подают сигнал о наличии микротрещин, например, в бетонном фундаменте. Г-н Саафи согласен с тем, что технология не позволяет иметь постоянный доступ к некоторым внутренним элементам конструкции, но все же она способна осуществлять общий мониторинг сооружения. По данным исследователей, стоимость подобного метода контроля прочности сооружений не превысит 1% от того, во что обходятся современные технологии с их многочисленным оборудованием.

Группа ученых, финансируемая Управлением по атомной энергетике Министерства энергетики США, разработала новый материал, способный удалять радиоактивные материалы из отработанного ядерного топлива. В будущем металлорганические структуры (MOF) смогут эффективно удалять летучие радиоактивные газы из отработанного ядерного топлива и таким образом сделать ядерную энергетику более безопасной и экологически чистой. Кроме того, появится возможность очищать от радиоактивных материалов аварийные ядерные реакторы. Отработанное ядерное топливо может перерабатываться с целью восстановления расщепляющих материалов и создания свежего топлива для атомных электростанций. Такие страны, как Франция, Россия и Индия, активно занимаются подобной переработкой, которая, к тому же, уменьшает объем высокоактивных отходов.

Одной из основных проблем переработки является удаление и изоляция радиоактивных компонентов, которые не могут повторно использоваться в качестве топлива. Ученые сосредоточили внимание на удалении йода, изотопы которого имеют огромный период полураспада – 16 миллионов лет. Исследователи изучили различные известные материалы, в том числе серебряный цеолит – кристаллический, пористый минерал с большой площадью поверхности и высокой механической, термической и химической стабильностью. Особая структура цеолита при добавлении серебра позволяет захватить и удалить радиоактивный йод из отработанного ядерного топлива. Однако, серебро стоит дорого и само по себе загрязняет окружающую среду, поэтому ученые попытались создать материал, работающий как цеолит, но без серебра. В итоге была создана металлорганическая структура ZIF-8. MOF является кристаллическим пористым материалом, в котором металлический центр связан с органическими молекулами в процессе химического синтеза. Белый порошок MOF изготавливается из относительно дешевых коммерчески доступных веществ, позволяет эффективно удалять радиоактивный йод и помещать его в стеклянные контейнеры для длительного хранения.

Группа под руководством Константина Новоселова (университет Манчестера) смогла нейтрализовать основное препятствие на пути к графеновой микроэлектронике – высокие токи утечки в транзисторах, вставив пленки графена в «сэндвич» из тончайших листов нитрида бора или дисульфида молибдена. Максимальная производительность обычных кремниевых интегральных схем и их графеновых «наследников» ограничивается так называемыми токами утечки – «несанкционированным» движением электродов через транзисторы в выключенном состоянии. Утеска электронов генерирует энергию и вынуждает инженеров увеличивать напряжение тока, что еще раз усиливает нагрев микросхемы. Дальнейшая миниатюризация кремниевых транзисторов крайне затруднена из-за роста токов утечки. Лауреаты Нобелевской премии Новоселов, Гейм и их коллеги использовали графен в качестве электрода в так называемом «туннельном транзисторе» – одной из разновидностей обычных полевых транзисторов. В качестве подложки физики использовали классический диоксид кремния, к которому они прикрепили пластинку из специального диэлектрика – нитрида бора или сульфида молибдена. Затем к диэлектрику прикрепляется слой графена, поверх него укладывается новый слой изолятора, следующий металлический или графеновый электрод и последний слой диэлектрика.

Как объясняют ученые, в этом устройстве ток движется из одного слоя графена к другому под воздействием электрического поля, которое блокирует, или способствует «просачиванию» электронов через пластинки нитрида бора или дисульфида молибдена. Такая конструкция в сочетании с высокоэффективным диэлектриком позволяет избавиться от высоких токов утечки в состоянии покоя. По оценкам исследователей, отношение тока в транзисторе во «включенном» и «выключенном» состоянии составляет 10 тысяч к одному, что открывает перспективы по созданию высокочастотной и высокопроизводительной графеновой электроники.

Ученые из университета Райса применили наночастицы для повышения термальных свойств трансформаторного масла. Исследователи создали масло на основе наночастиц, которое может существенно повысить теплопотери таких устройств, как электрические трансформаторы и микроэлектронные компоненты, что позволит повысить эффективность трансформаторных масел на 80% рентабельным и безвредным для окружающей среды способом. Группа ученых, возглавляемая Хаймэ Таха-Теджерина и постдокторантом Тарангатту Нараянан, сосредоточила усилия на трансформаторах энергетических систем. Трансформаторы заполнены минеральными маслами, которые охлаждают и изолируют внутренние обмотки, чтобы избежать короткого замыкания. Ученые обнаружили, что совсем чуть-чуть шестиугольных частиц нитрида бора (h-BN) – двухмерных кузенов углеродного графена, очень эффективно избавляют системы от высоких температуры. «Нам не требуется много этих частиц, ведь даже 0,1% от всего масла увеличивает его эффективность на 80%», сказал Нараянан. «Если их будет всего 0,01%, то и в этом случае эффективность масла повысится на 9%», добавил Таха-Титжерина. «Изоляционные свойства масла при этом совсем не пострадают».

Создавая новые наноматериалы, в том числе, кремы для лица, солнцезащитные средства, ткани и пищевые добавки, не следует забывать о рисках. Национальный исследовательский совет США призвал провести незамедлительное расследование, дабы установить, безопасны ли такие продукты. Совет готов инвестировать дополнительные 24 миллиона долларов в год. Этой суммы должно хватить на то, дабы получить информацию о наночастицах, уже применяемых в индустрии. Однако, не стоит забывать о том, что остаются наноматериалы нового поколения, которые должны появится на рынке в ближайшие 10 лет. В свою очередь, Центры по контролю и профилактике заболеваний подчеркивают: есть все основания полагать, что наночастицы способны проникать через кожу или дыхательную систему, мигрируя в другие органы.

В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющие серьезно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель – найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», – уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом, чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдет сквозь нее, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могу иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьезный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория г-на Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1-2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменение углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель еще в 10 раз. Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны – коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон все-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что ее группа создает плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Г-жа Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15% больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Еще один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешенные и запрещенные зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешенной зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на ее задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотоно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединен со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Леувене (Бельгия), теоретически такой фотоно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37%.

Совсем недавно, Джон Занг (John Zhang), ученый из университета Саутгемптона, и его коллеги выдвинули предположение, что свет может приводить к проявлению более сильных сил и взаимодействий. Это станет возможным за счет использования метаматериалов, которые преломляют свет особым образом и используют его некоторые другие свойства. Фотоны света, падающие на поверхность такого метаматериала, возбуждают колебания электронов, которые формируют на поверхности материала облака свободных электронов, так называемые плазмоны. Эти плазмоны имеют крошечные размеры, исчисляемые нанометрами, что сопоставимо с длиной волны видимого света. Если материал, на поверхности которого находится большое количество возбужденных плазмонов, соприкасается с поверхностью другого материала, неважно какого, диэлектрика или токопроводящего, плазмоны начинают взаимодействовать с электронами другого материала, при этом возникает резонансный эффект и две поверхности, метаматериала и другого материала, буквально склеиваются между собой.

Как и у других колебательных процессов, у плазмонов есть свои резонансные частоты. Когда метаматериал освещается светом с частотой, совпадающей с резонансной частотой плазмонов, возникающие адгезионные силы имеют наибольшее значение. Фактически эти силы напрямую зависят от интенсивности и частоты падающего света. «Эти силы могут обеспечить более сильное взаимодействие, нежели силы радиационного давления и силы Казимира. Благодаря этому становится возможной реализация механизма адгезии и прилипания, подобного механизму пальцев конечности геккона, а интенсивности излучения в несколько десятков нВ/мкм2 уже достаточно для преодоления гравитации Земли» – говорят ученые. Сила адгезии, индуцируемая метаматериалом, является совершенно видом сил, она может быть включена или отключена просто включением или выключением источника света. А практических применений у таких сил найдется весьма и весьма немало. Поднятие и перемещение нанообъектов, создание материалов с меняющимися под воздействием света оптическими и механическими свойствами, и даже реализация перчаток, с помощью которых можно перемещаться по вертикальной поверхности подобно человеку-пауку.

В Национальном исследовательском фонде Корее сообщили, что новая лазерная технология была создана в университете Сеула, а произведенная лазерная установка может работать с очень высокой степенью точности, сам же лазер работает в субмиллиметровом диапазоне. Новый трехмерный генератор лазера сейчас активно тестируется для создания сверхтонких лучей. Ученые говорят, что на основе таких сверхтонких, быстрых и очень тонких лучей в будущем можно создать коммуникационные элементы узлов компьютеров, а также в еще более отдаленной перспективе и квантовые компьютеры.

Концепция оптических компьютеров предусматривает, что подобные машины будут использовать фотоны в видимом или в инфракрасном световом диапазоне для процессинга данных, тогда как современные системы работают на базе электрических сигналов. Так как свет в электронных компонентах не испытывает сопротивления (точнее оно крайне мало), тогда как электричество его испытывает, оптические компьютеры смогут обеспечивать и передавать информацию почти в 10 раз быстрее. Более того, оптические компьютеры могут обойтись без проводов, так как все коммуникационные системы также будут работать за чет сверхбыстрых световых фотонов. Сообщается, что в основе южнокорейской разработки находятся так называемые поверхностные плазмоны и тончайшее серебряное напыление.

На днях специалисты IBM рассказали о том, что ими был создан и опробован транзистор, в основе которого располагалась одна единственная нанотрубка длиной 9 нанометров. Новое устройство показало отменные характеристики, позволившие заговорить о долгожданной замене кремниевым транзисторам. «Наши результаты показали, что у нанотрубок не просто есть соответствующий потенциал, они могут соперничать с кремнием», – говорит профессор Джон Роджерс (John Rogers) из университета Иллинойса.

Чтобы узнать, как размер нанотрубки влияет на производительность устройства, Роджерс, Аарон Франклин (Aaron Franklin) и их коллеги создали несколько транзисторов разных размеров. Чтобы на результаты исследования не повлияла разница в отдельных нанотрубках, ученые расположили все транзисторы на поверхности одной. Для этого на слой непроводящего материала инженеры поместили нанотрубку, на концах которой в ходе двухступенчатого процесса были закреплены контакты. Опыты показали, что нанотрубочный транзистор потребляет гораздо меньше энергии, чем его «коллеги» того же размера (достаточно напряжения 0,5 вольта). Кроме того, новое устройство может пропускать в четыре раза больше тока.

Компания Tilera, производитель многоядерных специализированных процессоров, известна еще и тем, что в 2009 году анонсировала прототип 64-битного 100-ядерного процессора. По всей видимости, специалистам компании потребовались эти два года для того, что бы отработать технологию и подготовиться к массовому выпуску микропроцессоров, которые они сами называют процессорами 21-го века. И совсем недавно представители компании Tilera объявили о начале производства своих процессоров Tile-Gx, правда в несколько урезанном варианте, пока только с 16 и 36 вычислительными ядрами, хотя их архитектура допускает возможность использования 100 ядер. Новые чипы, изготавливаемые по 40-нм технологии, Tile-Gx16 и Tile-Gx36выпускались в очень ограниченных количествах, начиная с сентября месяца прошлого года. К настоящему моменту в активах компании Tiler состоят более 80 клиентов, которые используют процессоры Tile-Gx в серверах, обрабатывающих одновременно большое количество транзакций.

Процессор Tile-Gx36, работающий на тактовой частоте 1,2 ГГц, обеспечивает скорость обработки и передачи информации на уровне 40 гигабит в секунду, потребляя при этом 25 Ватт энергии. С точки зрения отношения единицы потребляемой мощности на единицу производительности, процессорам Tile-Gx сейчас нет равных, и они являются идеальными кандидатами на создание систем распределенных облачных вычислений. А процессор Tile-Gx36, работающий на частоте CoreMark преодолел планку в 165276 баллов, оставив позади весьма неслабые системы других известных производителей. Работают системы на базе процессоров Tile-Gx под управлением специализированной мультизадачной операционной системы, созданной на базе SMP Linux. Поэтому со стороны программной поддержки таких систем никаких проблем не возникает. В настоящее время под эту систему портировано более 2000 приложений, среди которых такие востребованные приложения, как Apache, MySQL и многие другие. Компания Tilera планирует немного позже выпустить на рынок процессоры Tile-Gx16 и Tile-Gx36, работающие на тактовых частотах 1 и 1,4 ГГц, а процессоры Tile-Gx со 100 ядрами должны появиться на рынке к концу этого года.

Объединенная группа физиков из Университета Райса (США) и Осакского университета (Япония) изготовила практически идеальный терагерцевый поляризатор на основе нанотрубок. «Хорошие терагерцевые излучатели и детекторы у нас уже есть, – говорит Дзюнъитиро Коно (Junichiro Kono), руководитель лаборатории Университета Райса, в которой был создан новый поляризатор. – Не хватает только устройства для манипулирования излучением, и именно эту проблему мы и пытались решить». Первый вариант поляризатора на основе упорядоченного массива однослойных углеродных нанотрубок ученые испытали в 2009-м, получив обнадеживающие, но все же далекие от идеала результаты. «Когда направление поляризации терагерцевой волны было перпендикулярно оси нанотрубок, никакого ослабления излучения не отмечалось, – вспоминает г-н Коно. – Однако, в случае «параллельной» поляризации пропускание не снижалось до нуля, оставаясь на уровне 30-50 процентов».

Способ устранения этого недостатка был очевиден: требовалось увеличить толщину поляризатора. В конструкцию новой версии поляризатора входят сразу три установленных друг за другом упорядоченных массива нанотрубок, размещенных на сапфировых подложках. При испытаниях на эту структуру направлялось терагерцевое излучение, полученное с помощью фемтосекундного титан-сапфирового лазера и нелинейного кристалла теллурида цинка, в котором реализуется эффект оптического выпрямления. Как оказалось, относительно простое и надежное трехслойное устройство обеспечивает степень поляризации в 99,9% в интервале частот от ~ 0,4 до 2,2 ТГц. В этой же области оно имеет коэффициент экстинкции (отношение мощности излучения, прошедшего через настроенный на пропускание поляризатор, к мощности, измеренной в случае максимального ослабления), равный ~ 30 дБ.

Новая технология опреснения обещает невысокие энергетические затраты в сравнении с дистилляцией, а также отсутствие головной боли с постоянно загрязняющимися и выходящими из строя мембранами, используемыми при обратном осмосе. Ученые из Стэнфорда (Stanford University) и Рурского университета (Ruhr-Universität Bochum) придумали устройство, которое опресняет морскую воду за счет циклического процесса насыщения ионами и освобождения от ионов специальных электродов, погруженных в воду. Новый аппарат состоит из двух электродов. Положительный представляет собой набор наностержней Na2-XMn5O10. Отрицательный электрод – серебряный (Ag/AgCl). Эти пластины способны накапливать в себе ионы натрия и хлора соответственно. Работает устройство следующим образом. Заряженные электроды, которые не содержат мобильных ионов натрия и хлора, погружаются в морскую воду. Постоянный ток удаляет ионы из раствора и переносит их в электроды. Чистая вода отводится и снова заменяется морской. Электроды перезаряжаются, выпуская ионы. Морская вода превращается в концентрированный рассол. Рассол отводится и заменяется морской водой. Установка готова к новому циклу. В своей работе команда сообщает об энергопотреблении новой установки в 0,29 Вт-ч/л при удалении 25% соли. «Опреснительная батарея имеет простую конструкцию, использует подручные материалы, энергоэффективна, работает при комнатной температуре, с меньшей коррозией, чем существующие технологии опреснения воды, и она потенциально может быть избирательна на ионам Na+ и CL, что положит конец необходимости в реминерализации»,– сообщают авторы разработки.

Новая физическая форма белков, разработанная учеными Техасского университета в Остине (The University of Texas at Austin), может значительно усовершенствовать методы лечения рака и других заболеваний, решив одну из основных проблем современной медицины – как быстро, безопасно и эффективно доставить лекарственный препарат в организм пациента. Стратегию получения белковых препаратов, разработанную преподавателями и студентами Школы инженерии Кокрелла (Cockrell School of Engineering) при Техасском университете в Остине, с полным правом можно назвать беспрецедентной: предлагаемый учеными новый универсальный подход к доставке лекарств способен произвести революцию в лечении рака, артрита и инфекционных заболеваний. Американские ученые представили новую физическую форму белков, в которой молекулы упаковываются в высококонцентрированные наноразмерные кластеры (от50 до 300 нм), легко проходящие через иглу.

Ключевой успех пришел к ученым в 2004 году, когда профессор химической инженерии Томас Траскетт (Thomas Truskett) предположил, что растворы основанных на белках препаратов будут стабильны в ультравысоких концентрациях. В то время профессор химической инженерии Кит Джонстон (Keith Johnston) уже работал с наночастицами концентрированного стабильного белка, но не знал, как получить дисперсии, пригодные для инъекций. В 2009 году ученым удалось получить белковые нанокластеры в воде при помощи корректировки рН (чтобы снизить белковый заряд) и добавления сахара (трегалозы), собирающего вместе молекулы белка. Вскоре был совершен и еще один прорыв: инженер-химик Брайан Вилсон (Brian Wilson) получил прозрачную дисперсию чрезвычайно концентрированного белка, которая, как позже было установлено, была образована нанокластерами.

Как показали биологические и биохимические анализы, при разбавлении дисперсии in vitro или подкожной инъекции мышам нанокластеры распадаются на отдельные конформационно стабильные белковые мономеры, полностью сохраняющие биологическую активность. При попадании в кровь белки использованных в экспериментах дисперсий моноканальных антител 1В7, поликлонального овечьего иммуноглобулина G и бычьего сывороточного альбумина (с концентрацией до 260 мг/мл) адресно атакует клетки и опухоли. При этом фармококинетика дисперсий неотличима от таковой стандартных растворов этих белков, используемых для внутривенного введения. «Эта общая физическая концепция образования высококонцентрированных, но стабильных белковых дисперсий является одним из основных новых направлений в науке о белках», – поясняет профессор Джонстон, член Национальной инженерной академии США. «Мы считаем, что открытие новой высококонцентрированной формы белков – кластеров из отдельных белковых молекул – это инновация, способная изменить то, как мы боремся болезнями». Со времени начала исследований в 2004 году Бюро по коммерциализации технологий Техасского университета в Остине подало три заявки на получение патентов.

Исследователи успешно превратили насекомых, обычных тараканов, в живые топливные элементы, внедрив электроды в тело. В конечном счете, это позволит таким насекомым переносить на себе миниатюрное контрольное и передающее оборудование, которое приводится в действие электричеством, вырабатываем телами этих насекомых. Те продукты, которые употребляют люди, расщепляются до уровня глюкозы, которая переносится с кровью и является топливом для мускулатуры, мозга и других тканей. Еда насекомых расщепляется до более простого вида сахара – трегалозы. Внедренный в тело насекомого положительный электрод, анод, изготовленный из материала-катализатора, расщепляет трегалозу в крови насекомых на более простые соединения, при этой электрохимической реакции вырабатываются свободные электроны, который создают электрический потенциал между анодом и катодом, вторым электродом.

«Такой биотопливный элемент использует те продукты, которыми питается само насекомое» – рассказывает Даниэль Шерсон, ученый-химик из университета Кливленда (Case Western Reserve University in Cleveland). Тараканы с внедренными электродами, т.е. превращенные в биологически-активные элементы, вели себя точно так же, как и до имплантации электродов, только их аппетит возрастал пропорционально количеству снимаемой с электродов энергии. Каждый таракан смог вырабатывать электрический потенциал напряжением 0,2 вольта, это эквивалентно одной десятой потенциала батарейки ААА. Но этой энергии уже достаточно, чтобы передать информацию на расстояние пять сантиметров беспроводным методом.

Бурые водоросли обычно игнорируются как источник горючего, поскольку содержащиеся в них сахара трудно поддаются ферментации. Преобразованные кишечные палочки «научились» напрямую конвертировать бурые водоросли в этанол, притом с хорошей эффективностью. В перспективе это достижение позволит перенести задачу получения сырья для биотоплива от наземных ферм к морским. Исследователи из калифорнийской компании Bio Architecture Lab «научили» бактерии преобразовывать нужным людям образом полисахарид альгиновую кислоту (альгинат), в большом количестве содержащуюся в водорослях.

Биологи из Bio Architecture Lab воспользовались собственным открытием. Они идентифицировали у вибриона Vibrio splendidus солидный фрагмент ДНК длиной 36 тысяч пар оснований, который отвечает за синтез ферментов, необходимых для транспорта и метаболизма данных олигомеров. Новые ферменты помогают преобразованному микробу переправлять разрозненные кусочки бывшего полисахарида внутрь клетки. Другие гены от V. Splendidus заставляет клетку выполнить целую цепь химических реакций. И как финальный штрих – еще заимствованные гены, на этот раз от бактерии Zymomonas mobilis. Они окончательно превращают промежуточные вещества в этанол.

Авторы работы сообщают, что выход спирта по весу составил 0,281 от массы сухих водорослей и что это эквивалентно примерно 80% от максимально теоретически производства этанола из сахара, содержащегося в макроводорослях. Он отмечают, что бурые водоросли не содержат лигнин, а потому их сахара могут быть освобождены при помощи простой перемолки биомассы. Еще плюс – культивирование водорослей не требует пахотных земель, удобрений, пресной воды и не ставит людей перед дилеммой – отдавать выращенные растения на топливо или использовать как пищу. Исходя из возможного темпа роста водорослей и КПД преобразования их в жидкое топливо, авторы технологии оценивают возможную производительность морских ферм как 19 тысяч литров этанола с гектара в год. А это примерно вдвое больше, чем соответствующий показатель для сахарного тростника, и в 5 раз выше, чем кукурузы.

Исследовательская группа университета Пердью под руководством профессора Стивена Сана (Steven Son) разработала новый тип двухкомпонентного смесевого ракетного топлива, получившего наименование ALICE. В новом смесевом топливе горючим является нанопорошок алюминия размером около 80 нм в поперечнике. Вода является окислителем. В процессе горения алюминия и льда образуется в основном водород и оксид алюминия. Хранение топлива в виде льда позволяет обеспечить стабильность во времени, а также безопасность и нетоксичность нового вида топлива. Случайная инициация горения практически исключается – чтобы ALICE начала гореть, необходимо использовать небольшой стандартный твердотопливный двигатель, инициирующий реакцию горения. Энергетические характеристики топлива ALICE могут быть существенно улучшены, и по этому показателю «ледяное» топливо может превзойти используемые сейчас виды ракетного топлива.

Антибактериальные свойства меди известны издревле. Но использовать медь в текстильной промышленности первым придумал израильтянин Джеф Габай. Его антимикробное постельное белье сегодня рекламируется по всем телеканалам США. Если уснешь в «медной» постели, утверждает реклама, то проснешься молодым и здоровым. «В такую ткань вплетен настоящий натуральный оксид меди, который при реакции с водой, а наше тело состоит из воды, выделяет ионы меди»,– рассказывает глава фирмы Cupron Scientific Джеф Габай. Новая ткань, по словам ее разработчиков, настоящее чудо гигиены. Ионы меди убивают все вредные бактерии, все вирусы и защищают кожу лучше любой кольчуги. Самостерилизующийся текстиль теперь на вооружении спецслужб США. В будущем году израильский старт-ап, по согласованию с армией, переоденет и своих солдат. Несколько десятков тысяч пар «медных» носков уже в пути.

Как видно из вышеприведенных примеров новейших нанотехнологий, их разработки ведутся, в основном, в США, где сложился дефицит ученых и инженеров. В связи с этим Барак Обама готов предоставлять американское гражданство не только иностранным ученым и специалистам, но и тем иностранцам, которые просто получили американское образование – инженерное, научное или бизнес-образование. Обещание американского гражданства, которое прозвучало в ежегодном обращении Обамы, создает реальную альтернативу для массы российских школьников и абитуриентов. Если раньше на гражданство США в основном могли претендовать лучшие ученые и специалисты, то теперь оно может стать доступным для значительно более широкой группы российской молодежи. В связи с этим утечка рабочих кадров из России вполне может увеличиться. И противопоставить новому «кровопусканию» власти могут в основном апелляции к чувству патриотизма.

К эмиграции ученых и специалистов из России в ближайшее время может добавить мощный отток вчерашних школьников, которые готовы претендовать на работу в США, в том числе и по востребованным техническим специальностям. После нового обращения Барака Обамы Америка может дать иностранным абитуриентам зеленый свет в вопросах получения гражданства и, вероятно, гарантировать рабочие места.

Не секрет, что Америка всегда была «пылесосом» для высококлассных специалистов и перспективных научных сотрудников. Именно на Америку возлагали основную вину за утечку мозгов из России, Индии, ЮАР, некоторых азиатских стран. Интерес Штатов к талантливым и перспективным иностранцам – не новость. Новость же состоит в том, что теперь Америка концентрирует свое внимание не только на уже состоявшихся и зарекомендовавших себя специалистах, но и на абитуриентах и школьниках, которым пока только предстоит получить необходимое образование. Вполне логично, что такая инициатива Обамы может нанести серьезный удар по тем странам, которые не в состоянии на протяжении многих лет остановить утечку мозгов. К таким странам относится и Россия.

«Что бы ни говорили об инновациях и поддержке науки президент и правительство, не будем заблуждаться: средств на развитие науки и образование в РФ не хватает. Поддержка одаренных школьников и студентов со стороны государства явно не достаточна. Поэтому сейчас в России стало непрестижно поступать на факультеты, связанные с наукоемкими отраслями»,– комментирует начальник аналитического отдела Московского фондового центра Екатерина Кондрашова. Если иммиграционная реформа Обамы будет реализована, утечка мозгов из РФ может ускориться, ведь «получить образование, гражданство в США и возможность развивать свой бизнес – довольно перспективная альтернатива российскому образованию».

Российские власти противопоставить этой тенденции не могут практически ничего, кроме чувства патриотизма. Так, премьер Владимир Путин на встрече со студентами Томского политехнического университета заявил о том, что государство не будет препятствовать выезду молодых кадров за границу, так как это выбор каждого конкретного гражданина. Об этом же сказал президент Дмитрий Медведев на встрече со студентами факультета журналистики МГУ им. М.В.Ломоносова: «Если есть желание уехать – езжайте». Медведев сообщил, что и у него была возможность уехать за границу и делать там юридическую карьеру, однако он остался в России, так как хотел работать в своей стране, «со всеми ее издержками, проблемами, недостатками».

Сколько бы ни говорил Медведев про модернизацию, – с какой радости кому-то этой модернизацией заниматься, если модернизация подразумевает это самое повышение производительности труда, а, следовательно, увольнение огромного числа людей, которые заняты в производстве, пусть даже неэффективном. Ясно, что это приведет к большим социальным трудностям. Так что, если пока можно не делать эту модернизацию, то система ее делать не будет. Но при этом все будут говорить о ней, о том, что ею надо заниматься, что модернизация – это хорошо и здорово. Слово красивое, а то, что это мучительная процедура, связанная с ущемлением огромного количества влиятельных интересов, об этом как-то предпочитают не говорить и не думать.

Весьма странно, что практически не используется опыт Китая, который направляет студентов учиться за границу за счет государства и они, в соответствии с правовыми нормами, возвращаются работать в свою страну. И еще более удивительно, что Россия не использует возможность инженерного и экономического образования в Израиле, ведь израильские университеты высоко котируются в мировых рейтингах и имеют возможность провести обучение как на английском, так и на русском языках. Как явный просчет руководства России следует отметить и полное отсутствие представителей Израильской научной и технической элиты в числе ученых, получивших мегагранты по руководству научными проектами в университетах России.

Приложение
Число статей ученых из стран большой восьмерки, стран БРИК, ряда активно развивающихся азиатских стран, а также ряда среднеразвитых европейских стран тысяч штук (по данным WebofScience)

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

2010 г.

2011 г.

Китай

91,7

100,0

114,7

132,2

146,2

160

Бразилия

22,0

27,8

32,2

34,4

35,8

37

Индия

31,1

36,3

42,3

43,5

46,2

48

Россия

25,9

27,4

29,4

29,8

28,9

27

США

398,0

405,2

402,1

408,1

395,7

400

Япония

93,7

90,7

90,3

91,7

87,3

86

Германия

93,9

99,6

99,9

105,1

105,0

106

Франция

65,3

66,8

71,2

74,1

73,5

74

Италия

54,3

58,2

59,9

63,3

63,6

64

Англия

88,0

91,4

90,9

93,6

94,7

95

Канада

55,8

57,3

59,4

61,5

60,8

62

Южная Корея

32,6

34,0

38,2

42,6

45,4

48

Испания

39,6

43,3

45,7

49,3

51,1

53


Комментарии:

Цитировать Имя
ismailov.raf, 25.02.2012 14:37:59
Глубоконеуважаемый (после этой статьи) Олег Львович!

Вместо хорошего обзора прикладных аспектов использования наноразмерных материалов, Вы написали текст, который хорош для произнесения на Болотной площади, или в другой маргинальной среде. Зачем-то в серединку текста вы вставили дешевенькую подборку новостей из какой-нибудь membranа.ru. Стыдно! Я так и не понял, вам Чубайс платит за края статьи или за серединку? Если за серединку, то зря!