Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualności
Astronomia
Struktura materii
Doświadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis treści i wyszukiwarka
Hosted by:
W kręgu fizyki LO Turek
« Poprzednia  Następna »
Technologie 
układ molekuł w strukturę
Postać zbudowana z cząsteczek tlenku węgla osadzonych na powierzchni platyny
Nanotechnologia

Ideę nanotechnologii czyli budowy mikroskopijnych urządzeń zwanych nanorobotami lub nanobotami jako pierwszy sformułował w 1959 roku Richard Feynman, laureat nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, który stwierdził, że kiedy możliwe stanie się manipulowanie pojedynczym atomem, naukowcy będą w stanie uzyskać w drodze syntezy absolutnie wszystko.
układ molekuł w strukturę Naukowcy pragną stworzyć nanoboty, których wielkość nie przekraczałoby milionowych części metra. Byłyby to podobne do cząsteczek białka, które już obecnie mogą być zaprogramowane przez specjalistów od inżynierii genetycznej do tego, by się zmieniać i poruszać. Pod kontrolą nanokomputerów, nanoboty mogłyby przechwytywać pewne molekuły i grupować je w pewne określone struktury (na rysunku obok). W ten sposób z szeregu różnych materiałów powstawałyby zupełnie nowe obiekty. Przy użyciu atomów węgla nanoboty mogłyby, przynajmniej teoretycznie, zbudować niemalże każdą rzecz.
W 1981 roku w laboratorium badawczym IBM wynaleziono skaningowy mikroskop tunelowy (SMT), który służy do badania powierzchni ciał w skali atomowej. Kilka lat później naukowcy pracujący dla IBM wykorzystali STM do ułożenia 35 atomów ksenonu tak, by utworzyły one logo IBM. Niestety wszystko to odbywało się w bardzo niskich temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Dzięki temu doświadczeniu inni naukowcy zdali sobie sprawę, że możliwe stało się tworzenie nowych konfiguracji atomów. Ideą budowy mikroskopijnych maszyn interesuje się wiele koncernów przemysłowych i rządowych grup badawczych.

Skonstruowano tranzystory z pojedynczych cząsteczek chemicznych

przełącznik z kednej cząsteczki Im mniejsze, tym lepsze - ta zasada obowiązuje w elektronice już dobre pół wieku.
W czerwcu 2002 roku dwie grupy badaczy niezależnie od siebie doniosły, że udało im się skonstruować tranzystory z pojedynczych cząsteczek związku chemicznego.
Tranzystor - mówiąc w wielkim uproszczeniu - to przełącznik. Na żądanie albo przepuszcza prąd w obwodzie, albo go blokuje. Może też go odpowiednio wzmacniać. Mózgi współczesnych komputerów - mikroprocesory - to nic innego jak miliony tranzystorów upakowanych na krzemowych płytkach. Naukowcom i inżynierom zależy na tym, by upakować ich jak najwięcej w jednym układzie elektronicznym takim jak mikroprocesor z komputera. Im gęściej upakowane są tranzystory w mikroprocesorze, tym jest on sprawniejszy, potrzebuje mniej energii, no i co ostatnio najważniejsze - szybciej działa. Granicą miniaturyzacji wydaje się właśnie tranzystor z pojedynczej cząsteczki związku chemicznego.
układ molekuł w strukturę
Tranzystor z Cornell University: pojedyncze atomy kobaltu (granatowe) są utrzymywane w miejscu przez molekuły pirydyny (jasnoniebieskie), umocowane na zewnątrz atomy siarki (czerwone) łączą układ ze złotymi elektrodami.
Obie grupy naukowców jako podstawy swojej konstrukcji użyły złotego drutu o średnicy zaledwie 200 nanometrów (wielokrotnie cieńszego od ludzkiego włosa) ułożonego na podłożu z krzemu. Grupa z Cornell wybrała duży kompleksowy związek organiczny zawierający w środku atom kobaltu, grupa z Harvardu cząsteczkę z dwoma atomami wanadu połączonymi łańcuchami atomów węgla i azotu.
Czy to oznacza, że już za chwilę elektronicy porzucą badania nad krzemem i zwrócą się ku tranzystorom molekularnym?
Na razie nie ma o tym mowy bowiem krzemowe obwody elektroniczne mają kilka zalet, na razie niedostępnych elektronice molekularnej. Są wydajniejsze, szybsze i prostsze w produkcji, a co za tym idzie - o wiele tańsze. Nawet jeżeliby miało się okazać, że nanotranzystory nigdy nie staną się konkurencją dla krzemu przy konstruowaniu mikroprocesorów, to może znajdą inne zastosowania np. w czujnikach i nowoczesnych pojemnych pamięciach, które znajdą zastosowanie w przenośnych komputerach, dyktafonach i aparatach cyfrowych, a nawet kamerach. Poza tym jest to szalenie istotne dla zrozumienia podstawowych procesów chemicznych i biologicznych.

Nanorurki węglowe

Od momentu odkryciu fulerenów, czyli molekuł składających się z 60 (lub więcej) atomów węgla, liczne laboratoria naukowe no świecie zaczęły zajmować się wieloatomowymi formami węglowych molekuł. W trakcie eksperymentów stwierdzono, że występują one również w postaci rurek o długości znacznie przekraczającej ich średnicę. Nazwano je nanorurkami.
nanorurki Węglowe nanorurki maja średnicę około 1,5 nanometra, a więc 10000 razy mniejsza od grubości ludzkiego włosa. Przypominają arkusz siatki drucianej z sześciokątnymi oczkami zwinięty w rurkę. W Ameryce działa firma badawczo - rozwojowa, która już oferuje do sprzedaży nadwyżki produkowanych w swoich laboratoriach fulerenów C-60, a także nonorurek węglowych.
W zależności od swojej struktury nanorurki mogą zachowywać się jak metal albo półprzewodnik. Ostatnie pomiary na uniwersytecie Maryland wykazały, że nanorurki są bardzo dobrymi półprzewodnikami. Tranzystory zbudowane z nich świetnie się spisują w temperaturze pokojowej. Według ekspertów węglowe nanorurki mają szansę wyprzeć krzem z układów scalonych w ciągu najbliższych dziesięciu lat. Trzeba jednak opracować nową technologię produkcji tego materiału ponieważ obecnie jest to proces powolny i kosztowny.
W 2005 roku udało się uzyskać przezroczysty i elastyczny węglowy tranzystor wykonany z nanorurek. Tego typu technologia może być wykorzystana do produkcji przezroczystych, aktywnych wyświetlaczy, jak również inteligentnych szyb. Stosowane mogą być one między innymi w samolotach bojowych oraz w motoryzacji.
Nanorurki są również niezwykle wytrzymałymi materiałami i maja dobre przewodnictwo cieplne. Te cechy spowodowały duże zainteresowanie nimi pod kątem możliwości wykorzystania w urządzeniach nanoelektronicznych i nanomechanicznych. Dzięki lepszemu i głębszemu zrozumieniu właściwości elektrycznych węglowych nanorurek i emitowania przez nie światło, można mieć nadzieję na przyśpieszenie tempa rozwoju nanooptoelektroniki.
O kolejnym zastosowaniu nanorurek poinformowało w październiku 2004 roku pismo "Applied Physics Letters". Udało się opracować antenę wykonaną z węglowych nanorurek, która wychwytuje światło widzialne w podobny sposób, co anteny odbierające fale radiowe. Takie anteny mogą znaleźć zastosowanie na przykład w telewizji optycznej lub przekształcaniu energii słonecznej w elektryczną. Sygnały radiowe i telewizyjne są odbierane przez anteny o wymiarach zbliżonych do długości stosowanych przy transmisji fal elektromagnetycznych. Dlatego anteny radiowe dla fal długich powinny być długie, telewizyjne - niewielkie, a w telefonach komórkowych - całkiem małe, natomiast dla światła widzialnego takich anten jeszcze do niedawna nie wymyślono. Gdy fala elektromagnetyczna pada na antenę, pobudza elektrony i powstają bardzo słabe prądy. To one właśnie niosą informację o dźwięku czy obrazie. Światło ma małą długość fali, wynoszącą od 400 nanometrów do 700 nanometrów, by mogły je odbierać anteny widzialne gołym okiem. Zespołowi Yang Wanga z Boston College udało się odebrać światło za pomocą anteny z mikroskopijnych nanorurek i otrzymać sygnał elektryczny. Dzięki temu będzie można stosować światło do transmisji programów telewizyjnych światłowodami lub opracować nowe ogniwa słoneczne.
Z odpowiednio upakowanych nanorurek węglowych zbudowane są opracowane ostatnio superpojemne kondensatory. Ta technologia może już w najbliższych pięciu latach zostać wykorzystana do produkcji bardzo wydajnych baterii. Potencjalna lista zastosowań nanorurkowych kondensatorów jest prawie nieograniczona: przemysł motoryzacyjny (samochody elektryczne i hybrydowe czyli spalinowo-elektryczne), przemysł kosmiczny, superpojemne akumulatory, przemysł elektroniczny i telekomunikacyjny (baterie telefonów komórkowych).
Ciekawe jakie jeszcze niespodziewane własności kryją nanorurki?
nanoźródło światła
Najmniejsze źródło światła

W laboratoriach IBM stworzono najmniejsze źródło światła. Nowe źródło światło ma postać pojedynczej nanorurki węglowej o średnicy 1,4 nanometra (nanometr jest jednomiliardowa częścią metra, czyli jednomilionowa częścią milimetra) ułożone w konfiguracji trójelektrodowego tranzystora polowego. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego tranzystora polowego doprowadzenie niskiego napięcia do elektrody bramki tranzystora włącza przepływ prądu od jednego końca nonorurki do drugiego (od źródła do drenu tranzystora).
Naukowcom z IBM udało się opracować urządzenie jednocześnie wstrzykujące do pojedynczej nanorurki węglowej ładunki ujemne (elektrony) - od strony elektrody źródła, oraz ładunki dodatnie ("dziury") - od strony elektrody drenu. Kiedy elektrony i dziury spotykały się wewnątrz nanorurki, następowało ich zobojętnianie, czemu towarzyszyła emisja światła podczerwonego.
Ponieważ takie źródło światła jest w istocie tranzystorem, to emisję światła można włączać i wyłączać za pomocą napięcia doprowadzanego do elektrody bramki. Elektryczne sterowanie emisją światła zachodzącą w nanorurkach umożliwia prowadzenie subtelnych badań zjawisk fizyki optycznej, mających miejsce w tych unikalnych jednowymiarowych strukturach. Naukowcy IBM stwierdzili, że emitowane jest światło o długości fali 1,5 mikrometra, co ma duże znaczenie praktyczne, ponieważ w wielu optycznych systemach łączności światło o takiej właśnie długości fali jest powszechnie używane. Nanorurki o różnej średnicy mogą wytwarzać światło o innej długości fali, użyteczne w wielu zastosowaniach.
Opracowano na podstawie czasopisma "Młody Technik"

Bardzo cienkie światłowody
światłowody
Pismo "Nature" informuje o otrzymaniu supercienkich włókien. Powstały one dzięki współpracy naukowców z Harvard University oraz uniwersytetów Zheijang w Chinach i Tohoku w Japonii.
Mają średnicę zaledwie 50 nanometrów (miliardowych części metra). Długości fal światła widzialnego wynoszą od 380 (fiolet) do 780 (czerwień) nanometrów. Fala świetlna biegnie wzdłuż włókna, a nie odbija się wewnątrz niego jak w tradycyjnym światłowodzie. Włókna mają bardzo gładką powierzchnię (na poziomie atomowym) i równomierną grubość, dzięki czemu płynące nimi światło pozostaje spójne. Pozwolą przesłać więcej informacji, zajmując mniejszą przestrzeń. Słabiej również tłumią światło, będzie można się więc obejść bez wzmacniaczy, które dziś trzeba rozmieszczać co jakieś 50 km, żeby regenerowały osłabione sygnały w dalekozasięgowych szklanych przewodach. Naprawa i konserwacja takich wzmacniaczy to wielki kłopot, zwłaszcza jeśli położne są w trudno dostępnych miejscach, np. na dnie oceanu. Ponieważ nowe światłowody są niezwykle cienkie, można nimi łatwo manipulować np. skręcać.
Znajdą zastosowanie między innymi w urządzeniach medycznych, systemach laserowych, narzędziach komunikacyjnych czy czujnikach. Dzięki dalszej miniaturyzacji na przykład czujniki skażeń będą mogły dokładniej wykrywać wiele skażeń jednocześnie.
Współczesne włókna światłowodowe są zwykle robione ze szkła kwarcowego. Szklany rdzeń jest podgrzewany i powoli wydłużany, aż stanie się dostatecznie cienki. Trudno jednak w ten sposób "wyciągnąć" włókna do średnicy mniejszej niż kilka mikrometrów. Zespół z Harvard University najpierw wyciąga włókna tradycyjną, a potem owija je na podgrzewanej szafirowej igle, dzięki czemu udaje się jeszcze bardziej je wydłużyć.

« Poprzednia  Następna »
Technologie