Сегодня довольно сложно представить свое настоящее и будущее без нанотехнологий. Манипуляции материей на атомном и субмолекулярном уровнях проложили путь для невероятных прорывов в химии, биологии и медицине. Тем не менее, применение нанотехнологий в современной жизни иногда превосходит наши даже самые любопытные фантазии и реалии.
С другой стороны, без изобретения сканирующего туннельного микроскопа (STM) в 1980-х годах сегодня область нанотехнологий могла остаться научной фантастикой. Благодаря этому изобретению физики смогли с атомарной точностью STM изучать структуру таким образом, каким не удавалось с обычными оптическими микроскопами.
Удивительный потенциал STM был продемонстрирован учеными IBM, когда они создали «Мальчик и его атом», самый маленький в мире анимационный фильм. Он был создан путем перемещения отдельных атомов на поверхности меди.
90-секундный фильм изображает мальчика из молекул окиси углерода, играющего с мячом, танцующего и прыгающего на батуте. Созданная из 202 кадров анимация разворачивается на площади, равной 1/1000 размера одного человеческого волоса. Чтобы сделать фильм, ученые использовали уникальную особенность STM: электрически заряженный и очень острый стилус с одним атомом в роли наконечника. Стилус может определять точное положение молекул углерода на поверхности анимации (в данном случае — на листе меди). Также его можно использовать для создания изображений молекул и перемещения их на новые позиции.
Нефтедобыча
Глобальные расходы на разведку месторождений нефти выросли в геометрической прогрессии за последние десять лет. Тем не менее эффективность добычи нефти остается серьезной проблемой. Когда нефтяные компании закрывают скважины, из них извлекается менее половины нефти. Остальная остается в ловушке в скале, потому что ее будет слишком дорого добывать. К счастью, благодаря нанотехнологиям ученые Китая нашли способ обойти это.
Решение было в улучшении существующего метода бурения. Оригинальная методика предполагает введение воды в поры породы, в которой находится нефть. Это вытесняет нефть и выводит ее наружу. Тем не менее у этого метода есть свои ограничения. В определенный момент вместо нефти начинает выходить вода.
Чтобы предотвратить это, китайские исследователи Пэн и Мин Юань Ли пришли к идее вливать воду с наночастицами, которые будут закрывать переходы между порами породы. Вода будет выбирать самые узкие пути в порах, содержащих нефть, и выталкивать ее наружу. Успешно показав себя в испытаниях в Китае, этот метод повысил эффективность нефтедобычи, доставая до 50% нефти, которая в ином случае была вне досягаемости.
Дисплеи с высоким разрешением
Изображения на экранах компьютеров представлены с помощью крошечных точек — пикселей. Независимо от их размеров и форм, количество пикселей на экране остается определяющим фактором качества изображения. Однако, в случае с обычными дисплеями, большее число пикселей означает большие и громоздкие экраны — что не совсем удобно.
Пока компании заняты продажей гигантских экранов потребителям, ученые из Оксфордского университета обнаружили способ создания пикселей в несколько сотен нанометров в поперечнике. Этого можно достичь, используя свойства материала, изменяющего фазу, под названием GST. В эксперименте ученые использовали набор семинанометровых слоев GST, зажатых между прозрачными электродами. Каждый слой — всего 300 на 300 нанометров — выступает как пиксель, который можно включать и выключать электрическим путем. Пропуская электрический ток через слой, ученые смогли получить картинку с высоким качеством и контрастностью.
Нанопиксели будут служить для различных целей, когда традиционные пиксели станут непрактичными. К примеру, их крошечные размеры и толщина сделают их отличным выбором для таких технологий, как умные очки, складные экраны и искусственная сетчатка. Еще одним преимуществом нанопиксельных дисплеев является их низкое энергопотребление. В отличие от существующих дисплеев, которые постоянно обновляют все пиксели для формирования изображений, слой на основе GST обновляет только часть дисплея, что на деле экономит энергию.
Краска, меняющая цвет
Во время экспериментов с нитями наночастиц золота ученые из Калифорнийского университета наткнулись на удивительную вещь. Они заметили, что цвет золота меняется, когда нить растягивается или сжимается, переходя из ярко-синего в фиолетовый и затем в красный. Эксперимент вдохновил ученых на создание датчиков из наночастиц золота, которые меняют цвет, когда на них оказывается давление.
Для производства таких датчиков наночастицы золота добавлялись к гибкой полимерной пленке. Когда пленка подвергается давлению, она растягивается и вызывает изменение цвета частиц. Легкое нажатие превращает датчик в фиолетовый, а сильное — в красный. Ученые заметили это интересное свойство не только у частиц золота, но и у частиц серебра, которые меняют свой цвет на желтый при растяжении.
Такие датчики могут служить для разных целей. К примеру, их можно включать в мебель, диваны или кровати, чтобы определить, сидит человек или спит. Несмотря на то, что датчик сделан из золота, его малый размер помогает преодолеть проблему стоимости.
Зарядка телефонов
Будь то iPhone, Samsung или другой телефон, каждый смартфон, покидающий производственную линию, обладает двумя серьезными недостатками: время жизни батареи и время ее зарядки. И хотя первая проблема остается насущной, ученые из города Рамат-Ган в Израиле смогли решить вторую проблему, создав аккумулятор, который заряжается за 30 секунд.
Этот прорыв был тесно связан с проектом по изучению болезни Альцейгмера силами ученых из Университета Тель-Авива. Ученые обнаружили, что молекулы пептида, которые сокращают нейроны мозга и вызывают заболевание, обладают высокой емкостью (способностью сохранять электрический заряд). Это открытие было взято на заметку StoreDot, компании, которая пытается превратить нанотехнологии в целевые потребительские продукты. При помощи ученых, StoreDot разработала NanoDots — технологию, которая использует способность пептидов для улучшения времени жизни батареи смартфонов. Компания продемонстрировала свою технологию на мероприятии ThinkNext от Microsoft. На примере телефона Samsung Galaxy S3 батарея была заряжена с нуля до максимума меньше чем за минуту.
Хитроумная доставка лекарств
Лечение заболеваний вроде рака может быть слишком дорогим, а в некоторых случаях — запоздалым. К счастью, несколько медицинских компаний по всему миру исследуют дешевые и эффективные способы лечения подобных болезней. Среди них и Immusoft, компания, которая планирует осуществить революцию в сфере доставки лекарств в наши тела.
Вместо того, чтобы тратить миллиарды долларов на лекарства и терапевтические программы, Immusoft считает, что наши тела сами могут вырабатывать нужные лекарства. При помощи иммунной системы, клетки пациента могут быть изменены и снабжены новой генетической информацией, которая позволит им вырабатывать собственные лекарства. Генетическую информацию можно доставить с помощью капсул наноразмера, вводимых в организм.
Новый метод пока не прошел испытание на людях. Тем не менее Immusoft и другие учреждения сообщили об успешных экспериментах, проведенных на мышах. Если метод докажет свою эффективность на людях, он значительно сократит время лечения и затраты на терапию сердечно-сосудистых заболеваний и других болезней.
Молекулярная коммуникация
При определенных условиях электромагнитные волны, душа глобальной связи, становятся непригодными для использования. Подумайте об электромагнитном импульсе, который может вывести из строя спутник связи, и тогда любая форма технологии, которая зависит от него, окажется бесполезной. Мы хорошо знакомы с таким сценарием из апокалиптических фильмов. Также этот вопрос на протяжении многих лет изучали ученые из Университета Уорвика в Соединенном Королевстве и в Йоркском университете Канады, прежде чем прийти к неожиданному решению вопроса.
Ученые наблюдали за тем, как некоторые виды животных, в частности насекомых, используют феромоны для общения на больших расстояниях. Собрав данные, ученые разработали коммуникационный метод, в котором сообщения кодируются в молекулах испаряющегося спирта. Они успешно продемонстрировали новый метод, используя спирт в качестве химических сигналов, и отправили первое сообщение, которое расшифровывалось как «О, Канада».
Метод включал использование двух устройств, передатчика и приемника, которые кодировали и посылали и получали сигнал соответственно. Можно набрать текстовое сообщение на передатчике, используя Arduino One (микроконтроллер с открытым исходным кодом). Затем контроллер преобразует текст в двоичный код, который считывается электронным распылителем со спиртом. После считывания кода распылитель заменяет «1» на впрыск, а «0» оставляет как пробел. В воздухе спирт улавливается приемником в воздухе, который содержит химический сенсор и микроконтроллер. Затем данные снова переводятся в текст.
Сообщение удалось отправить на несколько метров по открытому пространству. Такой метод может быть полезен в средах типа подземных туннелей или трубопроводов, где электромагнитные волны становятся бесполезными.
Накопитель данных
За последние несколько десятилетий компьютеры пережили экспоненциальный рост в вычислительной мощности и емкости хранения. Это явление было точно предсказано Джеймсом Муром более 50 лет назад и позже стало известно как закон Мура. Тем не менее многие ученые — включая физика Мичио Каку — считают, что закон Мура однажды прекратит работать. Это связано с тем, что вычислительная мощь компьютеров не может идти в ногу по экспоненте с существующими производственными технологиями.
Хотя Каку акцентировал внимание на вычислительной мощности, то же самое в равной мере относится к емкости. К счастью, это не конец. Команда ученых из Университета RMIT в Мельбурне в данный момент ищет альтернативы. Под руководством Шарата Шрирама, команда ученых находится на пороге создания устройств хранения данных, которые имитируют метод хранения информации человеческим мозгом. Первый шаг ученых заключался в создании нанопленки, которая химически запрограммирована на хранение электрических зарядов в состоянии «включен» и «выключен». Пленка, которая тоньше человеческого волоса в 10 000 раз, может стать краеугольным камнем для разработки устройств памяти, которые имитируют работу нейронных сетей мозга, отмечает portaltele.com.ua.
Наноискусство
Перспективное развитие нанотехнологий восхищает научное сообщество. Тем не менее достижения в области нанотехнологий не ограничиваются медициной, биологией и техникой. Наноискусство — развивающаяся область, которая позволяет нам увидеть крошечный мир под микроскопом с совершенно новой точки зрения.
Как следует из названия, наноискусство — это сочетание искусства и нанонауки, в котором практикуется небольшое число ученых и художников. Среди них Джон Харт, инженер-механик из Мичиганского университета, создавший нанопортрет президента. Портрет под названием «Нанобама» был создан для президента, когда он выступал кандидатом в ходе президентских выборов 2008 года. Каждая грань портрета составляет менее половины миллиметра, а весь портрет сделан из 150 нанотрубок. Остается только вопрос времени, когда такой портрет можно будет распечатать.
Новые рекорды
Человечество всегда стремилось создавать вещи сильнее, быстрее и больше. Но когда речь заходит о самых маленьких вещах, в игру вступают нанотехнологии. Среди самых маленьких вещей, созданных с использованием нанотехнологий, есть книга под названием Teeny Ted From Turnip, которая в настоящее время считается самой маленький в мире напечатанной книгой. По размерам книга всего 70 на 100 микрометров и наполнена буквами, вырезанными на 30 страницах из кристаллического кремния. Правда, стоит такая книжка немало — более 15 000 долларов. К тому же для ее прочтения понадобится электронный микроскоп, тоже удовольствие не из дешевых.