НТИ октябрь 2012 Ч.1 Экология, Энергия, Электроника, Новые материалы

Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

К сожалению, два предыдущих обзора не вызвал ни замечаний, ни комментариев.  Логика подсказывает, что что-то не так либо с формой, либо с содержанием. И все-таки в этом обзоре я придерживаюсь традиционной схемы.  Традиционная форма, инновационное содержание…

В разделе ЭКОЛОГИЯ  расположились две заметки.

«Химчистка воздуха: одежда в атмосфере чистоты» описана в заметке от 11 октября на www.popmech.ru. «Британские ученые разработали средство, которое превращает одежду в мини-фабрику по очистке окружающего воздуха. Жидкое средство CatClo (Catalytic Clothing, «Каталитическая одежда») содержит наночастицы диоксида титана (TiO2), который при активации светом катализирует дальнейшее окисление оксидов азота, довольно неприятных загрязнителей воздуха. Образующиеся молекулы HNO3 оседают на поверхности катализатора, но легко смываются водой при стирке или уносятся с потом - они безвредны, не имеют ни цвета, ни запаха.

По утверждению разработчиков, средство CatClo и само по себе совершенно незаметно и безопасно при носке, а поскольку частицы TiO2 прикрепляются к волокнам ткани чрезвычайно прочно, каждому предмету одежды достаточно будет обрабатываться им лишь один раз. Зато при достаточном освещении они будут удалять из воздуха, в среднем, около 5 г оксидов азота за день. Это довольно значительное количество, так что если такая чистящая одежда станет массовой, она вполне способна привести к существенному улучшению качества воздуха. Несмотря на очевидную пользу пока что CatClo находит лишь довольно неожиданные сферы применения. Средство использовали при создании нашумевшей 14-метровой скульптуры Wendy (http://www.moma.org/interactives/exhibitions/yap/2012ny_hwkn.html),которая выставлялась нынешним летом в нью-йоркском Музее современного искусства (MoMA). А на Фестивале науки, который откроется в конце октября в Манчестере, обработанные CatClo джинсы будут выставлены на обширном «Джинсовом поле» (Field of Jeans).

Впрочем, профессор Тони Райан (Tony Ryan), под руководством которого создано CatClo, уже ведет активные переговоры с производителями, которые могли бы вывести продукт на рынок. В конце концов, выгода очевидна, а одна (единственная) обработка предмета одежды этим средством, по оценке Райана, будет обходиться всего в 16 американских центов».

«Ученые разработали процесс полной переработки древесных отходов», пишет 30 октября www.nanonewsnet.ru. «…Древесные волокна состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы – углеводов и лигнина. До настоящего времени эти вещества выделялись из древесных волокон только в процессе получения целлюлозы в бумажном производстве. Однако, в существующих технологиях используется только 50 процентов древесины, остальная часть попросту сжигается. Кроме того, из-за примесей, таких как соединения серы, лигнин можно использовать только как средство для расщепления древесных волокон. Поэтому о применении такого неочищенного лигнина в других продуктах, без последующей обработки в системах с катализаторами, не может быть и речи.

В целях увеличения эффективности переработки древесных отходов ученые из Центра Фраунгофера для химико-биологических процессов CBP в Лейне открыли опытный завод, на котором будет проверяться новая технология более полного расщепления древесины, чтобы сделать сырье доступным для определенных секторов химической промышленности. В новой технологии используется тот же подход, что и при переработке биологических веществ. Подобно НПЗ, ученые фракционируют сырье в основные компоненты, каждый из которых затем используется по своему назначению.

Данный процесс позволяет утилизировать до 80 – 90 процентов веществ, полученных при переработке древесины – целлюлозы и очищенного лигнина. Технология была разработана в сотрудничестве с двенадцатью партнерами от промышленности и научно-исследовательских институтов. Процесс расщепления древесины осуществляется путем кипячения ее в воде и спирте при высокой температуре и под высоким давлением. Лигнин растворяется в жидкости, а целлюлоза остается в твердом состоянии. На следующем этапе ученые выпаривают лигнин из жидкости.

Полученная таким образом целлюлоза служит сырьем для биосинтетических материалов, а лигнин используется в качестве связующего компонента для деревообрабатывающей промышленности. Сегодня ученые работают над тем, чтобы сделать процесс более доступным по цене и более экономичным. По их оценкам, технология будет готова для промышленного применения в течение 5 лет».

Раздел ЭНЕРГИЯ в этот раз не блещет разнообразием – одна заметка. «Полный бензобак ваты» описан в заметке от 30 октября на www.nanonewsnet.ru. «Поиск рентабельной альтернативы ископаемому топливу становится тем более актуальным для химиков, чем в большей степени истощаются запасы нефти и газа. Один из таких перспективных способов был разработан исследователями из США – они нашли условия, позволяющие превратить углевод целлюлозу – пожалуй, самое распространенное на Земле органическое соединение, в 5-гидроксиметилфурфураль [5-(hydroxymethyl)furfural (HMF)], многообещающий прекурсор для получения топлива, альтернативного ископаемому.

Разработанные до настоящего времени методы конверсии углеводов в 5-гидроксиметилфурфураль требовали применения жестких условий и/или токсичных катализаторов на основе тяжелых переходных металлов. Исследователи из группы Рональда Рэйнса (Ronald Raines) предлагают для этой конверсии новый, низкотемпературный подход в режиме one-pot, для реализации которого необходимо использование малотоксичного органокатализатора. ревращение целлюлозы в 5-гидроксиметилфурфураль представляет собой трехстадийный процесс. Он включает в себя: гидролиз целлюлозы до глюкозы; изомеризацию глюкозы до фруктозы и дегидратацию фруктозы до 5-гидроксиметилфурфураля.

Самым сложным является переход от глюкозы до фруктозы, это превращение невозможно осуществить без катализатора. Для решения проблемы исследователи использовали фенилборную кислоту в комбинации с хлоридом магния и минеральными кислотами, получив при этом 5-гидроксиметилфурфураль с выходом 54%, этот выход сравним с выходом 5-гидроксиметилфурфураля, который можно достичь с помощью металлокомплексных катализаторов. Сама по себе фенилборная кислота проявляет каталитическую активность, однако эффективность каталитической системы увеличивается в присутствии хлорида магния и минеральных кислот. Несмотря на то, что для высокой конверсии целлюлозы нужна значительная загрузка фенилбороната, катализатор может быть регенерирован просто за счет добавления воды, что позволяет экстрагировать фенилбороновую кислоту и хлорид магния, при этом каталитическая активность системы борорганического соединения сохраняется. Для проверки эффективности метода в качестве источника целлюлозы исследователи использовали хлопок, бумажные полотенца и газеты. Выход 5-гидроксиметилфурфураля колебался в пределах 18–40%, в зависимости от степени чистоты целлюлозы.

Рэйнс отмечает, что хотя в этом случае выходы 5-гидроксиметилфурфураля был чуть ниже, результаты показывают, что новый метод может применяться для переработки обычных бытовых отходов в биотопливо и другие полезные вещества. Ацуси Фукуока (Atsushi Fukuoka), директор центра исследования каталитических процессов из Университета Хоккайдо отмечает, что ранее для превращения целлюлозы в 5-гидроксиметилфурфураль использовали токсичные соли хрома, и преимуществом нового метода является замена производных хрома на менее токсичные органокатализаторы».

В разделе ЭЛЕКТРОНИКА описаны новые электронные материалы и устройства. Но начнем с прогнозов.

«Будущее техпроцесса или когда «умрет» закон Мура?», вопрошает 11 октября www.nanonewsnet.ru. «В связи с тем, что закон Мура выполняется уже на протяжении 50-и лет и тема того, сколько ему «еще осталось» обсуждается повсюду, познакомимся с мыслями и планами тех, кому данный закон придется утверждать и поддерживать, как минимум в ближайшие годы.

В последнее время часто возникает вопрос: «Подходит ли к концу процесс уменьшения размеров транзисторов?» Поскольку никто не считает, что процесс совершенствования технологий может прекратиться совсем, более разумным будет вариант этого вопроса: «Становится ли технически или практически невозможным разработка и внедрение новых техпроцессов примерно каждые два года, как это предсказано законом Мура почти 50 лет назад?»…

Перед тем, как ответить на данный вопрос, сначала заглянем в историю. Когда-то развитие технологий процесса производства полупроводников давалось значительно легче. Базовая архитектура МОП-транзисторов была фиксирована, и путь к разработке нового процесса был ясен и прост: уменьшить габариты, уменьшить вертикальный размер, уменьшить электрические поля и — вуаля – готов новый более быстрый и более энергоэффективный транзистор. Конечно, изобретения, типа точечных и halo(ореол) имплантаций, оксидов силицида и нитрида для затвора были необходимы для решения проблем на этом пути, но основная архитектура оставалась прежней на протяжении многих поколений. (Когда мы говорим про изобретения, давайте не будем забывать об уменьшении длины межсоединений, где предложены медные проводники и планаризация.)

Конец масштабирования?

Даже в период «расцвета» данных технологий, отраслевые эксперты предсказывали конец масштабирования. Утверждения экспертов, как «Оптическая литография достигнет своих пределов в диапазоне 0.75–0.50 мкм,» «Минимальные геометрии [транзисторов] будут достигнуты в диапазоне от 0,3 до 0,5 микрон», «рентгеновская литография понадобится при размерах менее 1 микрона,» «медные межсоединения никогда не будет работать», и «Масштабирование закончится примерно через 10 лет», были сделаны публично, и все кажутся странными спустя время.

Пожалуй, 130-нм технология была последней настоящей технологией в этой архитектуре.

Начало 1990-х годов отмечено огромным изменением в этой отрасли в связи с изобретением корпорацией Intel одноосного напряженного кремния в 90-нм технологии. Это изменение отмечено использованием кремний-германиевых сплавов в истоке/стоке PMOS (р-канальный МОП) транзистора, оно открыло эпоху больших перемен в материалах в дополнение к существующим геометрическому и электрическому масштабированиям.

65-нм этап был последней возможностью, чтобы использовать «рабочую лошадку» отрасли, SiON диэлектрик затвора.

Начиная с 45-нм, Intel сделал переход к экзотическому диэлектрику на основе диоксида гафния c высоким показателем диэлектрической проницаемости k и сложной сэндвич-структурой пленок.

Наконец, 22-нм этап ознаменовал конец 50-го года жизни планарного МОП транзистора и переход на tri-gate технологию 3D-транзисторов.

Сегодняшнее состояние технологии напоминает транзистор конца 1980-х примерно настолько же, насколько Феррари напоминает конный экипаж. Не только структура транзистора и материалов резко изменилась за последние десятилетия, но и цель масштабирования транзистора также изменилась. В 1980-х и 1990-х годах классическое масштабирование обеспечивало значительные улучшения в скорости транзистора для работы микропроцессоров на более высоких рабочих частотах. Но мы платили цену за очень высокую плотность мощности все более высокими ее утечками.

2000-е годы открыли эпоху, когда предел плотности мощности и рыночный спрос на мобильные компьютеры изменили фокус транзисторных технологий с повышенной производительности к уменьшенному энергопотреблению. Современные компьютеры, являются ли они высокопроизводительными серверами или маломощными мобильными телефонами, все требуют повышения энергоэффективности и снижения утечки энергии. А рост интереса к системам-на-чипе (SOC) придает все большее значение созданию широкого спектра устройств на одной микросхеме, из высокопроизводительных транзисторов с ультра-низким уровнем утечки.

Радикальные новые подходы

Историческая перспектива очень важна, потому что она напоминает нам, что единственной постоянной в нашей отрасли является изменение (или, как выразился Йоги Берра, «будущее — это не то, что это было»). В будущем радикально новая архитектура может создать еще один колоссальный сдвиг, когда постепенное улучшение перестает работать.

Существует много потенциально привлекательных вариантов технологий вроде туннельных полевых транзисторов, BISFET (bilayer pseudospintronic field-effect transistors) транзисторов, полевых транзисторов на основе графена, и полевых транзисторов на основе спина. Все они активно исследуются в ведущих полупроводниковых компаниях.

Еще одним трендом, который приобретает все большее значение, является более тесная интеграция технологических процессов, дизайна и архитектуры продуктов. За последние несколько поколений, ограничения в процессе масштабирования привели к ограничениям в дизайне, которые, в свою очередь, требуют более тесной совместной оптимизации между дизайном и процессом для достижения лучшего результата. Эта тенденция, вероятно, сохранится и даже будет расти. Будущее будет включать в себя интеграцию новых процессов, дизайна и архитектуры, такие как 3D упаковку внутри чипа, а не только внутри TSV(through-silicon via) упаковки и новых подходов к вычислениям, таких как техпроцесс, оптимизированный для не-булевой логики.

Вполне возможно, что новая архитектура техпроцесса завтра сделает настолько же сильный рывок, что «сегодняшний Феррари» станет выглядеть как древний «конный экипаж». Поскольку мы живем и работаем в это удивительное время для полупроводниковой промышленности, и мы надеемся увидеть еще 50 лет «работы» закона Мура».

«На смену литиево-ионным аккумуляторам могут прийти батарейки из соли и сахара», утверждает 2 октября www.nanonewsnet.ru. «Группа учёных из Токийского университета во главе с профессором Синити Комаба (Shinichi Komaba) разработала технологию создания натриево-ионных аккумуляторов. Катоды в них выполнены из натрия, а аноды из углерода, извлечённого из сахара. Природные запасы лития располагаются в таких странах как Чили, Аргентина, Китай и Австралия, и они не так уж велики. Поэтому литиевые батареи такие дорогие.

Из-за повсеместного использования аккумуляторов на основе лития для питания ПК, мобильных телефонов и многих других устройств назрела необходимость найти им более дешёвую альтернативу. Группа учёных из Токийского университета во главе с профессором Синити Комаба (Shinichi Komaba) разработала технологию создания натриево-ионных аккумуляторов. Катоды в них выполнены из натрия, а аноды из углерода, извлечённого из сахара. В ходе работы технологи смешивали оксид натрия, оксид марганца и оксид железа. Полученный материал для катода нагревался в течение 12 часов при температуре 900°С. Затем учёные получали углерод для анодов.

Для этого обычную сахарозу нагревали в электрической печи до 1000–1500°С (отжиг проводили в бескислородной атмосфере инертного газа). В результате был получен чёрный порошок гиперплотного углерода. Семь лет работы по улучшению технологии и теперь учёные из Страны восходящего солнца утверждают, что ёмкость натриево-ионных аккумуляторов на 20% выше, чем обычных на основе гиперплотного углерода (300 мАч). Синити Комаба считает, что преимущество новых батареек в том, что для их создания используется не дорогой и редкий, но привычный литий, а обычный натрий. Этого элемента на Земле предостаточно, и его легко выделить, например, из обычной соли. Профессор полагает, что многие научные группы по всему миру вскоре заинтересуются технологией и новые натриево-ионные аккумуляторы появятся в продаже максимум через 5 лет…»

«Новая бумага может удерживать электричество», пишет 4 октября www.nanonewsnet.ru. «В политехническом институте штата Нью-Йорк изобретена бумага, в которой можно накапливать электрическую энергию. Правда, бумага эта не простая, а нанокомпозитная. Она почти на девять десятых состоит из целлюлозы, которая входит в состав обычной бумажной массы. Целлюлоза пронизана сетью углеродных нанотрубок, которые отлично проводят электричество и выполняют функции электродов. Целлюлозная матрица также пропитана неводным солевым раствором, который обладает ионной проводимостью, иначе говоря, пропускает электрические токи, переносимые свободными ионами. Вещества с такими свойствами называются электролитами.

Экспериментальный материал выглядит как обычная тонкая бумага, только черного цвета – из-за обилия нанотрубок. Однако он несет все компоненты химического источника электричества – электроды, электролит и мембрану, разделяющую положительные и отрицательные ионы (в этом качестве выступает сама целлюлозная матрица). Для накопления электричества лист такой бумаги надо на время присоединить к источнику постоянного тока. После зарядки нанокомпозит способен отдавать ток в двух режимах – постепенно и почти мгновенно.

В первом случае он работает в качестве электрического аккумулятора, во втором – электрического конденсатора очень большой емкости (такие устройства называют суперконденсаторами). Из отдельных бумажных накопителей электричества можно составлять электрические батареи. Новый источник тока может работать в широком диапазоне температур – от –70 до +150 градусов. Его создатели под руководством профессора Роберта Линхардта полагают, что такие устройства будут применяться как для питания небольших электронных аппаратов вроде сотовых телефонов, так и для обеспечения энергетических потребностей автомобилей и даже самолетов».

Раздел НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ традиционно очень разнообразный.

«Инженеры заставили капли воды бегать быстрее», сообщает 23 октября www.nanonewsnet.ru. «Инженеры из Массачусетского технологического института разработали покрытие, которое позволяет во много раз улучшить эффективность водных конденсаторов – капли воды движутся на ней на несколько порядков быстрее…Технология основана на комбинации химического покрытия и микротекстуры. Инженеры создавали на экспериментальном материале микроскопические бугорки размером около 10 микрон, а затем покрывали его водоотталкивающим лубрикантом. При этом вещество заполняло полости между бугорками и плотно удерживалось на нем.

Во время конденсации влаги на таком материале капли не смачивают поверхность, а «парят» над ней. Из-за этого они очень слабо удерживается на месте – при достижении размера около 100 микрометров, капли начинают двигаться под действием силы тяжести. По словам авторов, их скорость в 10 000 раз выше, чем на других подобных материалах. Нестабильность капель создает постоянный поток воды на поверхности материала, и заставляет ее быстро обновляться. В результате, скорость теплообмена резко увеличивается.

Водные конденсаторы очень широко используются в электроэнергетике. Они необходимы для рециркуляции пара, вращающего паровые турбины. Паровые турбины являются основным электрогенерирующим устройством на тепловых и атомных электростанциях. Кроме того, подобные конденсаторы используются для опреснения воды. В последнее время многие инженеры работают над использованием микроструктуры для придания поверхностям необычных свойств. Ранее ученые сообщали о создании несмачиваемого стекла, свойства которого определяются микрорельефом поверхности. Другая группа исследователей показала, что текстурирование способно повысить теплообмен во время кипения. Третья заставила воду кипеть без пузырьков».

«Начались полевые испытания самовосстанавливающегося бетона», информирует 31 октября www.nanonewsnet.ru. «Ученые из голландского Дельтфского технического университета приступили к полевым испытаниям самовосстанавливающегося бетона, трещины в котором заделывают специальные бактерии. Ученым удалось создать самовосстанавливающийся бетон, использовав для этого бактерий рода Bacillus. Авторы добавляли в материал гранулы, содержащие споры микроорганизмов, а также гранулы лактата кальция. Помимо того, что это вещество служит источником энергии для бактерий, при его переработке образуется кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели.

Триггером, запускающим процесс залечивания необычного бетона, является образование щели и попадание в нее влаги. До этого момента споры в материале находятся в спящем состоянии и способны сохранять жизнеспособность на протяжении многих лет. Первые лабораторные опыты показали, что бактерии действительно способны заделывать трещины кальцитом. При этом исчезают как относительно крупные дефекты, так и микротрещины размером около 0,2 миллиметров. Последние не влияют на механические характеристики материала и обычно допускаются нормами строительства. Тем не менее, попадание в них влаги и последующее ее замерзание способно со временем увеличить размер щелей и в конце концов привести к разрушению конструкции.

Теперь авторам предстоит продемонстрировать применимость нового материала вне стен лаборатории. По словам создателей, испытания должны завершиться в течении двух-трех лет, после чего, в случае успеха, ученые собираются запустить технологию в производство. Ранее другая группа исследователей изучила микрокристаллическую структуру бетона и объяснила, почему в нем иногда возникает деформация ползучести – пластическое изменение, образующееся при длительном действии постоянной нагрузки».

«Российские учёные создали материал с взаимоисключающими свойствами», сообщает 5 октября www.nanonewsnet.ru. «Фотонные кристаллы обладают уникальными оптическими свойствами и характеризуются периодической структурой. Фотонные стёкла, напротив, имеют неупорядоченную структуру, но также интересны с точки зрения использования в будущих оптических устройствах. Можно ли совместить два взаимоисключающих свойства в одном материале? На этот вопрос отвечает международная группа исследователей, в которую входит обладатель мегагранта Юрий Кившарь. Известно, что фотонные кристаллы – материалы, способные управлять светом, уже активно применяются в создании оптических волокон, лазеров, а также прототипов функциональных элементов будущих фотонных интегральных схем.

Уникальные свойства подобных материалов заложены в упорядоченно расположенных структурных элементах кристалла. Именно вследствие упорядоченности элементов-рассеивателей фотонные кристаллы называют кристаллами. Учёные продолжили данную аналогию и предположили, что в фотонике, наряду с регулярными структурами, можно создавать и некие аморфные, неупорядоченные вещества. Подобный материал удалось синтезировать из коллоидного раствора сферических частиц полиметилметакрилата в 2010 году коллективу испанских и немецких учёных, которые вскоре дали данному классу веществ название – фотонные стёкла.

В фотонных стёклах идентичные друг другу образующие элементы формируют неупорядоченную структуру. Примечательно, что её оптические свойства, в отличие от фотонных кристаллов, определяются индивидуальными свойствами рассеивателей, а не их упорядоченным ансамблем. Эти особенности придают материалу уникальные оптические свойства и позволяют реализовывать новые режимы распространения света в неупорядоченных средах.

Интернациональная группа исследователей из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, Австралийского национального университета, Лазерного центра в Ганновере и НИУ информационных технологий, механики и оптики, в которую также входил приглашённый иностранный учёный и обладатель мегагранта Юрий Кившарь, для синтеза фотонных кристаллов и стёкол предложила использовать лазер. Синтез наноструктур проводился при помощи метода трёхмерной лазерной литографии, который заключался в послойной обработке фоточувствительного материала лазерным пучком.

При последовательном сканировании лазерным излучением происходила полимеризация фоторезиста в областях, в которых луч находился в фокусе, в то время как структура остальной части материала оставалась неизменной. Затем с помощью проявителя учёные удаляли материал, не подвергшийся воздействию интенсивного лазерного излучения. Сам процесс хода луча контролировался сложной системой позиционирования, которая управлялась компьютерной программой. Задачу синтеза фотонного стекла исследователи решали в два этапа. На первом этапе описанным методом был получен классический фотонный кристалл, в котором прослойки воздуха чередовались с цилиндрами из фоторезиста диаметром 740 нм. Сменяющие друг друга области воздуха и цилиндров формировали периодическую структуру, которая придавала фотонному кристаллу особые оптические свойства.

На втором этапе исследователи модифицировали параметры синтеза: увеличили скорость сканирования, мощность используемого излучения и ограничили ускорение, развиваемое системой позиционирования в горизонтальной плоскости. В результате была получена также периодическая структура чередующихся областей воздуха и цилиндров, однако цилиндры в этом случае были уже не однородными, а состояли из пустот и различных мелких элементов. Таким образом, сама периодическая структура материала по свойствам приближала его к фотонному кристаллу, а неупорядоченная структура составляющих его цилиндров – к фотонному стеклу…»

«Ученые разработали растворимые пластинки против ожогов от супа и кофе», утверждает 17 октября www.nanonewsnet.ru. «Американские ученые разработали растворимые пластинки, мгновенно снимающие боль от ожогов ротовой полости, свою разработку исследователи представили на конференции Американской ассоциации фармацевтических наук в Чикаго. «Мы доказали, что, благодаря нетоксичности, эти пластинки подойдут абсолютно любому человеку, обжегшему рот горячей едой или напитком. Внешне и по воздействию наша разработка похожа на пластинки, освежающие дыхание, которые можно купить в любой аптеке», – сказал ведущий разработчик нового обезболивающего средства Джейсон Макконвил (Jason McConville) из Техасского университета в Остине.

Фармацевты предложили способ контролируемой доставки обезболивающего вещества, бензокаина, который широко используется в стоматологии и не вызывает раздражения слизистой. Как отмечают разработчики, пластинку предполагается наложить на обожженную часть ротовой полости – язык, небо или щеку. Препарат приклеится к поврежденной области и, быстро растворившись, снимет боль и начнет лечение, не мешая «пострадавшему» в течение дня. Своей дальнейшей целью Макконвил видит разработку пластинок сильного действия, которые смогут лечить более серьезные ожоги. Кроме того, ученые планируют провести клинические испытания препарата с участием добровольцев и, в частности, экспериментировать с его вкусом».

RSS-материал