Текст книги "Юный техник, 2008 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Графеновый прорыв

Исследователи шутят, что каждое научное открытие проходит через три стадии. Сначала в него никто не верит. Потом начинают подозревать, что «в этом что-то есть». И наконец, о нем говорят: «Да кто же этого не знает?!»

Создатели тончайшего в мире материала – графена – Андре Гейми Константин Новоселовнаходятся как раз на втором этапе. Поначалу им никто не верил, а недавно они стали лауреатами премии Европейского физического общества. Впереди – широкое внедрение сделанного ими открытия.

Весьма престижная в мире физиков награда досталась нашему соотечественнику, работающему сейчас в Университете Манчестера ( University of Manchester) в Великобритании, и его нидерландскому коллеге за «открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода и объяснение его выдающихся электронных свойств».

Такова формулировка жюри отделения физики конденсированных сред Европейского физического общества ( European Physical Society).

Ну а чтобы стало понятно, что к чему – несколько слов пояснения. Как известно, углерод встречается в природе в различных формах – графит, уголь, алмаз. Недавно к ним добавились еще карбин, фуллерены и нанотрубки.

Про графит, уголь и алмаз написано во всех школьных учебниках. Поэтому здесь скажем подробнее о новых формах.

Карбин – это линейный полимер углерода, молекулы которого представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов. Фуллерены – это полые молекулы, по форме представляющие собой полые шары или, точнее, многогранники, состоящие из большого количества – до 560 атомов углерода. А нанотрубки – это и в самом деле трубчатые структуры из тех же атомов углерода. Диаметром они бывают от одного до нескольких десятков нанометров, а длина этих молекул достигает нескольких микрон.

Графен же ( graphene, С ₆₂Н ₂₀) представляет собой тончайшую – в один атом толщиной! – пленку из тех же атомов углерода, объединенных в строгую гексогональную геометрическую структуру. Этот материал был получен исследователями в 2004 году фантастически простым образом. Ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, а затем «промокнули» ее клейкой лентой, как криминалисты в фильмах, когда снимают отпечатки пальцев преступников на месте происшествия. В результате на пленке остался тончайший слой углерода.

Константин Новоселов

Андре Гейм

Все было так просто, что поначалу профессору Андре Гейму и его коллеге никто просто не поверил. Неужто можно столь обыденным способом отделить от графитового массива тончайшую, в один атомарный слой, пленку графита?

Ученым не верили настолько, что статьи, посылаемые ими в научные журналы, никто не принимал всерьез. А когда наконец удосужились проверить метод, то получили нужный результат далеко не сразу – во всяком деле необходимы навыки и определенный опыт. Но получили!

Совместная работа выходца из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (Черноголовка) и голландского исследователя в Университете Манчестера началась в 2001 году. Поначалу они работали порознь. Но когда Андре Гейм, адъюнкт-профессор одного из университетов Нидерландов, был приглашен на должность директора Центра мезонауки и нанотехнологии Манчестерского университета, он, в свою очередь, пригласил поработать вместе с ним молодого коллегу – стипендиата Фонда Леверхульма Константина Новоселова, с которым познакомился на одном из международных симпозиумов.

Как видите, в графите графеновые пленки слабо связаны между собой.

Наловчившись получать тончайшие углеродные пленки, ученые стали исследовать их свойства. И выяснили, что слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных, а порой и неожиданных свойств. Так, эта немыслимо тонкая пленка – в миллион раз тоньше листка обычной писчей бумаги! – обладает высокой прочностью, гибкостью, а главное – стабильностью свойств.

Кроме того, графен имеет высокую тепло– и электропроводность. А для полупроводниковой промышленности как раз необходимы материалы, в которых бы носители электрического заряда – электроны – могли перемещаться без помех. Дело в том, что всюду, где электроны натыкаются на препятствия и отклоняются от заданного прямого пути, идет выделение тепла. Кроме того, подобные потери ограничивают рабочую частоту работы тех или иных компонентов микроэлектронных схем.

Например, в кремнии электроны могут передвигаться относительно свободно. Но у арсенида галлия степень свободы электронов в 6 раз выше. Поэтому в мобильных телефонах и приемниках спутниковых сигналов используются микропроцессоры на основе именно арсенида галлия, а не кремния.

Так вот, это свойство, которое называется подвижностью электронов, в графеновых пленках близко к абсолютному идеалу; электроны практически не рассеиваются и весьма мало реагируют на изменения внешней среды.

Однако произвести точные замеры свойств графена ученым долгое время не удавалось – уж слишком тонка пленка. А потому только недавно выяснилось, что по подвижности электронов графен превосходит все известные на сегодня вещества и в 20 раз выше, чем в арсениде галлия. Это открывает блестящие возможности разработки новых, еще более скоростных, компонентов схем микроэлектроники. Речь уже пойдет не о мега– и гигагерцах, как в нынешних компьютерах, а о террагерцах, то есть в 1000 раз более высоких показателях.

Далее ученые приступили к созданию графенового полевого транзистора, который, используя электрическое поле, обеспечивает так называемый баллистический транспорт электронов, при котором они практически не рассеиваются.

Заготовка графеновой пленки для изготовления транзисторов.

В общем, оказалось, что баллистические транзисторы в принципе способны работать гораздо быстрее, чем обычные кремниевые. А потому открытие Гейма – Новоселова вызвало большой интерес к графену как к материалу для электроники нового поколения.

Однако есть и определенные препятствия на пути внедрения графеновых структур в производство. Главное – нет еще технологии, которая бы позволила наладить массовое производство графеновых структур с одинаковыми показателями – пока пленки делают практически вручную.

Впрочем, как полагают энтузиасты нового направления, это лишь трудности роста молетроники – микроэлектроники, схемы которой оперируют уже с отдельными молекулами. Ведь первые транзисторы тоже рождались не просто. И было немало скептиков, считавших, что лучше радиоламп вряд ли можно что-то придумать. Кроме того, графеновые пленки могут оказаться весьма перспективны в качестве покрытий для экранов мобильных телефонов и элементов солнечных батарей, в качестве чувствительных элементов в газоанализаторах.

Выступая во время церемонии вручения Europhysics Prize, Андре Гейм выразил уверенность в том, что в ближайшем будущем слово «графен» станет столь же широко известным, как «кремний».

К сказанному остается добавить, что полученная исследователями награда присуждается ежегодно с 1975 года. Причем восемь лауреатов Europhysics Prizeв разное время были награждены также и Нобелевской премией.

Структура графена при сильном увеличении.

Промежутки в графеновых структурах имеют уже молекулярные размеры.

С. НИКОЛАЕВ

СЛЕДИМ ЗА СОБЫТИЯМИ
Сочиненная ДНК

В свое время мы рассказывали о том, как американские ученые создали первый в мире синтетический микроб, «склеив» в определенном порядке кусочки природных ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот) (см. «ЮТ» № 1 за 2003 г.). Недавно же японские ученые сумели впервые в истории создать почти полностью синтетическую молекулу ДНК. Чего можно ожидать от этого эксперимента?

Японский «фокус»

Создателями молекулы, еще не известной природе, стала группа сотрудников университета Тоямы под руководством Масахико Инойе. Экспериментаторам удалось собрать молекулу ДНК из нетипичных элементов. В ней все четыре «буквы» используемого природой генетического «алфавита» – азотистые основания аденин, гуанин, тимин и цитозин – были заменены на видоизмененные азотистые основания, в частности, на изо-гуанин, изо-тимин и так далее. Затем они были встроены в природный каркас знаменитой двойной спирали ДНК, состоящий из дизоксирибозы. В итоге получилась стабильная молекула, которая закручена в точности так, как и ее природный прототип.

В принципе ученые уже давно научились собирать из кусочков натуральных ДНК и РНК нужные им цепочки. Еще в 1959 году испанец Севере Очоа и американец Артур Корнберг получили за соответствующие работы Нобелевскую премию. Удавалось ученым собирать ДНК и с частично замененными «буквами», но вот заменить весь «алфавит» получилось впервые.

Никакого логичного кода искусственная ДНК пока не содержит. Ученые, словно дошкольники, составили из изобретенных ими «букв» некое сочетание. Тем не менее, на мысль о возможности появления в какой-нибудь лаборатории доселе невиданных «зверей» такой эксперимент уже наводит. Ведь ДНК – хранительница генетической информации живых организмов. Стало быть, научившись менять ДНК по своему усмотрению, можно, в принципе, «конструировать» организмы с наперед заданными свойствами. Например, вырастить груши на вербе или воссоздать мифического кентавра.

Смысла пока не имеет…

Впрочем, ряд ученых предлагает не торопиться с выводами. Вот какой точки зрения, к примеру, придерживается заведующий лабораторией генетических основ клеточных технологий Института общей генетики им.

Н.И. Вавилова Российской академии наук профессор Сергей Киселев. «Создание японскими учеными первой почти полностью синтетической молекулы ДНК является яркой демонстрацией тончайшей техники эксперимента, но для генетических исследований, биологической науки значение полученного результата пока не очень понятно», – сказал он.

«В природе молекула ДНК всегда несет в себе некий смысл, некую генетическую информацию, – пояснил ученый, – молекула же, синтезированная японскими учеными, представляет собой химическую молекулу неживого вещества».

Таким образом, по мнению нашего ученого, «собранная в Японии молекула – это скорее успех комбинаторной химии или структурного моделирования химических молекул». Тем не менее, усилия экспериментаторов не пропали даром. «Искусственная ДНК предоставляет возможность хранения огромного объема информации за счет комбинирования букв генетического алфавита, – считает С. Киселев. – Полученный результат представляет собой определенный шаг вперед, поскольку на основе таких молекул, возможно, удастся создать биокомпьютер».

Элемент нанобиоэлектрoники

Сходной точки зрения придерживается и директор Института математических проблем биологии РАН Виктор Лахно. Он полагает, что разработанная профессором Масахико Инойе и его коллегами методика может оказаться весьма полезной, например, в области нанобиоэлектроники.

Основная идея этого научного направления заключается в том, чтобы использовать для создания электронных элементов – транзисторов, диодов, сопротивлений – не полупроводники, а биологические элементы – белки, ДНК, РНК и другие, поскольку молекулы ДНК проводят ток. А синтетические ДНК можно будет даже попробовать наделить свойствами сверхпроводимости.

Обнаружение же проводящих свойств молекулы ДНК, полагает российский ученый, открывает ошеломляющие перспективы. Как уже говорилось, ДНК является хранилищем всей генетической информации у всех живых существ. Причем параметры этого хранилища весьма впечатляющи. Так, диаметр молекулы ДНК составляет 2 нанометра, то есть всего две миллиардные доли метра. И длина ее не так уж велика – около 2 м. Вместить же она может такое количество информации, которое и не снилось самым сверхсовременным суперкомпьютерам.

ДНК уникальна еще и тем, что это единственная молекула, которая способна воспроизводить саму себя. Стало быть, методами самосборки из ДНК можно конструировать различные схемы, пространственные фигуры, решетки…

В Институте математических проблем биологии уже предложен проект создания электронного нанобиочипа, работающего на принципах измерения проводимости отдельных фрагментов ДНК. Его использование позволит не только диагностировать множество заболеваний, но и открыть невиданные перспективы моделирования жизни любого человека, своевременного вмешательства с помощью генетической терапии в случае какой-либо угрозы его здоровью.

Другим важнейшим для нанобиоэлектроники направлением является создание логических элементов на основе небольших фрагментов ДНК, что позволит в миллиард раз увеличить производительность компьютеров.

Сейчас уже создана биоэлектронная память на основе вируса табачной мозаики, которая в 100 раз превосходит по емкости полупроводниковую память. Использование проводящих свойств ДНК позволяет сделать плотность записи информации в миллионы раз большей, чем в современных устройствах. Вся информация, накопленная человечеством за время его существования, сможет поместиться на одном крошечном чипе.

В России, по словам ученого, освоена также технология создания нанопроводов на основе ДНК и бактериофагов. Причем нашими специалистами совместно с французскими коллегами сделано фундаменальное открытие – выявлена сверхпроводимость ДНК-проводов при сверхнизких температурах.

Чем опасна искусственная ДНК?

Создав же на основе ДНК нанокомпьютеры, далее можно будет подумать и о создании киборгов – кибернетических организмов, которые будут наделены заранее определенным набором свойств и возможностей. Если не завтра, то послезавтра генным инженерам по силам станет создание, например, дракона – чудища, похожего на динозавра с крыльями, да еще и умеющего изрыгать огонь…

Для чего это нужно? Ну, дракон, быть может, пригодится разве что в качестве персонажа очередного фильма. А вот если мы сумеем создать некий организм, способный переносить температуры до 500 °C, давление около 400 атмосфер, обходиться без кислорода и воды, то его можно отправить для изучения, а потом и колонизации Венеры.

Пока это дело отдаленного будущего. Нужно еще решить множество предварительных задач. Как напомнил профессор С. Киселев, со времен получения в США первой полусинтетической ДНК, в которой были заменены два из четырех азотистых оснований, прошло уже около 20 лет, и работа японцев – всего лишь второй шаг, который удалось сделать в области конструирования ДНК. Стало быть, потребуется еще несколько десятилетий, чтобы освоить технологии столь тонкого манипулирования фрагментами молекул.

Отвечая на вопрос, не несут ли в себе подобные эксперименты потенциальной опасности для человека, профессор С. Киселев сказал: «Если это единичные, очень тонкие и высокотехнологичные работы, то опасности они, скорее всего, таить в себе не будут».

Более того, самопроизвольное слияние синтетических и натуральных ДНК, в результате которого могли бы появиться некие чудовища, весьма маловероятно. А вот польза от использования ДНК-технологии, скажем, в той же наноэлектронике ожидается огромная.

И. ЗВЕРЕВ, В. ЧЕРНОВ

* * *

Знакомьтесь  GAKKEN

Что может быть интереснее радиоуправляемой игрушки? Только радиоуправляемая игрушка, собранная своими руками. Игрушки компании Gakkenпомогают в наглядной и увлекательной форме познакомиться с кинетической энергией и действиями коленчатых рычагов, валов, кривошипов, шарниров и других устройств.

В модельном ряду Gakken– удивительные механические создания. Вряд ли кто-нибудь останется равнодушным к гусенице-землемерке или металлической многоножке с 32 ногами, которая способна волнообразно ползти в любом направлении. А механический краб передвигается, прижимаясь к полу, и приподнимает ноги, чтобы переступить через препятствие. Для сборки моделей понадобятся лишь отвертка и гаечный ключ – все остальное входит в комплект. А благодаря понятной схеме и подробной инструкции построить собственное механическое чудо сможет даже десятилетний инженер.

«Семь Пядей» – первая в России сеть магазинов и интернет-магазин умных развлечений. Здесь вы найдете интеллектуальные наборы, конструкторы, наборы для исследований, сборные модели, наборы для творчества, настольные игры, развивающие игрушки и многое другое.

Сеть магазинов «Семь Пядей» – официальный дистрибьютор компаний Qiddycome, Gakken, Gigo, Maxitronix, Capsela, Sky-Watcher, Optitech, Lyonaeec и Bornimago.

Москва: (495)363-01-90, Санкт-Петербург: (812) 333-17-17, Нижний Новгород: (831) 218-54-63.

http://www.7pd.ru

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Чем накормить пароход?

«Если кит и вдруг на слона налезет? Кто кого сборет?» Вопрос, волнующий героя повести Льва Кассиля «Кондуит и Швамбрания», конечно, наивный. Только ребенок станет сравнивать этих совершенно непохожих друг на друга животных. Но вот с пароходом кита сравнить вполне уместно, причем сравнение будет не в пользу последнего.

И в самом деле, некоторые виды китов ухитряются нагуливать массу до 150 т, проплывать сотни и тысячи километров, развивая скорость до 40 километров в час и обгоняя многие корабли, и при этом им не нужно горючее, а достаточно мельчайших микроорганизмов – планктона: кит раскрывает свою огромную пасть, и туда сразу попадает около тонны воды вместе с содержащимся в ней планктоном. Затем он закрывает рот и сцеживает воду через свой знаменитый китовый ус – решетку из роговых пластинок (их число колеблется от 130 до 400 штук), расположенных плотно у края рта на верхней челюсти.

Оставшиеся во рту водоросли, мельчайшие рачки и прочая органика отправляются затем по пищеводу в желудок. А он у китов сложный – состоит от 3 до 11 отделов. Словом, это настоящая фабрика по переработке органического сырья в энергию и строительный материал для клеток китового организма. Сумей люди оснастить океанские лайнеры хвостами, как у китов, а вместо двигателей использовать механизм получения энергии из планктона, корабли могли бы бороздить волны океана, не заботясь о топливе.

Специалисты уже много лет работают над созданием движителей, подобных тем, которыми обладают обитатели морей. И хотя эти работы пока далеки от завершения, уже сейчас ясно, что даже с обычными дизельными моторами корабли могли бы, как киты, питаться планктоном.

По большому счету, переваривая планктон, кит извлекает из него энергию Солнца, которую микроскопические рачки и водоросли аккумулируют в процессе жизни. Повторить механизм пищеварения кита человек пока не может – уж очень сложны происходящие при этом химические реакции. Но извлечь эту энергию все же можно, если призвать на помощь бактерии.

Собственно, этой энергией, не задумываясь, ежедневно пользуются на земном шаре миллионы и миллионы людей, поворачивая кран газовой плиты. Ведь газ – это продукт переработки органических веществ микроскопическими бактериями. А использовать его можно не только для приготовления пищи, но и для нагрева воды для паровых двигателей или даже напрямую сжигать его в цилиндрах моторов, специально для этого приспособленных. Свидетельством тому тысячи и тысячи автомобилей с газовыми баллонами на дорогах страны.

Не так давно исследователи Вирджинского университета (США) сумели изготовить ловушки для планктона, копирующие устройство китового уса, и убедились в их эффективности. Но кит, как сказано, достигает массы 150 тонн, а водоизмещение океанского лайнера может составлять десятки и сотни тысяч тонн. Прямой связи между весом и потреблением энергии нет, но все же ясно, что кораблю планктона нужно больше, чем киту. А где его взять?

Еще в 80-е годы прошлого столетия эту проблему решили наши специалисты из гидрофизической лаборатории МГУ в рамках проекта «Биосоляр». Суть его состояла в следующем. В бассейне под ярким светом ламп, имитирующих солнечный свет, они разводили микроводоросли. По мере накопления биомассу перекачивали гидронасосами в специальные реакторы – метантенки. Заложенные в них бактерии брожения перерабатывали микроводоросли в метан. Ну, а этот газ, как уже сказано, годится для промышленных паровых котлов.

Взяв за основу такую технологию, американские исследователи доработали ее с учетом природных условий. И теперь она выглядит следующим образом. В морскую воду караванных путей, которым традиционно следуют морские суда, нужно периодически добавлять питательные вещества – подкормку для интенсивного размножения микроводорослей и планктона.

В «ЮТ» № 3 за 2005 г. мы уже рассказывали вам, как международная группа ученых, работавшая в Атлантике на корабле «Полярная Звезда» под руководством профессора Виктор Сметачека, установила, что наиболее лакомой едой для фитопланктона является сульфат железа и некоторые другие вещества.

Быстро растущую биомассу каждое судно по мере надобности и будет закачивать во время плавания в свои метантенки, где она станет превращаться в горючий газ. Ну а полученный газ можно использовать как топливо и для паровых котлов, и для двигателей внутреннего сгорания, и даже для газовых турбин.

Идея уже обсуждена на нескольких научных симпозиумах и признана перспективной. И теперь исследователи планируют строительство опытного судна, на котором можно было бы проверить эту технологию практически. Кроме того, предстоит вывести методами генной биоинженерии особо эффективные сорта микроводорослей и бактерий. А то ведь сейчас, по самым оптимистичным подсчетам, КПД биоустановки, получается, не превышает 1 процент – меньше, чем у паровоза…

Впрочем, это не единственный способ получения топлива из органики. Немецкие исследователи из университета Карлсруэ в сотрудничестве со своими коллегами из университета Квинсленда (Австралия) намерены по-своему наладить получение экологического горючего будущего – водорода.

Как известно, одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада производит в процессе фотосинтеза углеводы. Но, если в окружающей среде мало кислорода, хламидомонада начинает производить водород, когда-то дешево получать который из воды мечтал еще всемирно известный фантаст Жюль Верн. Ведь молекула воды, как известно, состоит из водорода и кислорода. Водород прекрасно горит, а кислород – поддерживает горение.

В этом биореакторе 30 литров раствора хламидомонад при ярком освещении производят водород. Им можно заправлять не только судовые двигатели, но и автомобильные.

Однако ни сам знаменитый фантаст, ни кто-либо из ученых за прошедшие 150 лет так и не додумались, каким образом дешево разлагать воду на составные элементы. Если делать это с помощью электролиза, как это традиционно делается сейчас, то энергии на разложение воды тратится больше, чем ее потом получают от сгорания водорода.

Иное дело, если водород получать с помощью хламидомонад. Они энергию для разложения воды получают из солнечного света – по существу бесплатно. Вот только в природе опять-таки эффективность этого процесса составляет всего 0,1 %. Генная инженерия уже позволила повысить КПД в 25 раз и вырастить культуру хламидомонад, работающих с эффективностью до 2,5 %. Однако экономисты подсчитали: чтобы процесс был экономически выгоден, необходим КПД не ниже 10 %. Ученые обещают добиться таких показателей в ближайшие годы. Вот тогда, наверное, и появятся в морях-океанах первые суда, отчасти похожие на китов.

Ю. АНДРЕЕВ