От жидкого терминатора до Солнца - новейшие разработки на основе галлия
Ученые из университета Цинхуа в Китае представили самодвижущегося робота из жидкого металла, который способен менять свою форму в зависимости от ширины канала, по которому он проходит. Подробности разработки опубликованы в свежем номере журнала Advanced Materials.
На самом деле, это пока на терминатор Т-1000 из фильма Джеймса Кэмерона, а всего лишь его прототип: капля сплава галлия с примесью индия и олова. Если добавить к такому сплаву алюминий, то можно заставить всю конструкцию самостоятельно передвигаться по емкости, заполненной жидким гидроксидом натрия или соленой водой. При попадании в контейнер с раствором алюминий вступает в химическую реакцию с гидроксидом натрия, в результате которой формируются пузырьки водорода, которые и заставляют каплю двигаться. Около часа она может перемещаться по прямой, кружиться вдоль краев емкости или протискиваться сквозь препятствия.
Как выяснилось в ходе последующих тестов, капля движется не только благодаря пузырькам водорода, но и дисбалансу зарядов, возникающему из-за разницы давлений между ее передней и задней частью, этот дисбаланс толкает его вперед. А если удерживать каплю в неподвижном состоянии, она превращается в насос, прокачивающий примерно 50 миллилитров воды в секунду. Таким образом получается первый в мире насос с автономным источником энергии.
Но этим возможности новое изобретение китайских ученых не ограничиваются. По словам ведущего автора исследования Цзина Лю, в ходе испытаний обнаружилось, что если в контейнер с раствором поместить заполненные жидкостью полые трубки, то мини-робота можно заставить по ним двигаться, причем по заданному маршруту. Интересно, что если жидкий терминатор попадает в слишком узкую часть трубки, он тут же сжимается и без труда преодолевает препятствие, а затем вновь обретает прежнюю форму. "Этот мини-робот напоминает разумное существо, способное преображаться в зависимости от условий среды: точно как Терминатор из известного фильма", - говорит Цзин Лю.
До того ученые из Массачусетского технологического института выяснили, что при контакте с электрическим током сплав галлия принимает причудливые формы, а при отключении электричества возвращается в исходное положение. Специалисты из университета Цинхуа планирует воспользоваться этим свойством галлия для контроля за скоростью нового робота, а также для координации его движения. В ближайшее время на основе технологии будут созданы другие подобные устройства. Предполагается, что разработка будет использоваться в медицине, для доставки к пораженным клеткам лекарственных препаратов, а также для доставки грузов по трубам.
На самом деле и нынешняя инновация, и многие другие, не менее интересные открытия, появились исключительно благодаря уникальному материалу, галлию, который со временем раскрывает все больше неординарных свойств.
Так, благодаря низкой температуре плавления галлий - основной компонент многих легкоплавких сплавов. Например, комбинация галлия (67%) с индием и оловом даже при комнатной температуре не может оставаться твердой, плавясь при 10,6 градусах. Такие сплавы широко используют в технике, в частности в устройствах пожарной сигнализации.
Главное же достоинство галлия в том, что он остается жидким в огромном интервале температур, значительно большем, чем у любого другого легкоплавкого металла. Расплавленный галлий начинает кипеть лишь после того, как температура достигнет 2230 градусов. Легкоплавкость в сочетании с широким интервалом существования расплава делают галлий потенциальным теплоносителем для атомных реакторов.
А две недели назад инженеры из университетов Пенсильвании и Иллинойса представили новое поколение солнечных батарей с галлиевыми элементами. Они принадлежат к классу концентрирующей фотовольтаики, то есть, используют линзы для концентрации солнечного света на небольших фотоэлементах. Подобные батареи существовали и до того (применяются, например, на МКС), однако они дороги в производстве и требуют сложной системы наведения для слежения за солнцем. Кроме того, для получения адекватного количества энергии такие панели должны быть очень большого размера, что исключает возможность их размещения на крыше дома.
Удешевить и упростить производство удалось, в частности, за счет использования миниатюрных (всего 1 кв. мм) фотоэлементов из арсенида галлия. Такие батареи способны эффективно фокусировать свет на фотоэлементе в течение всего восьмичасового светового дня. Благодаря компактному размеру, их можно размещать на крыше любого дома, а эффективность новых панелей не ниже, чем у классических аналогов.
В конце февраля в Сан-Франциско прошла международная конференция по полупроводниковым схемам. Главная тема этого года - "маленькие чипы для больших данных". В частности, представители компании Intel заявили, что разрабатывают технологии, направленные на дальнейшее уменьшение микросхем. Прежде всего, это микрочипы в 10 нанометров (рекорд в этой сфере принадлежит той же Intel, добившейся 14 нанометров).
Десять нанометров, а тем более переход к семи потребуют новых полупроводников. Самый перспективный на сегодня, по мнению специалистов, вариант - комбинация галлия с азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой. Подвижность электронов у них выше, чем у кремния, что позволяет уменьшать размер чипов. Такие разработки в Intel начались несколько лет назад, так что совсем скоро ядром компьютеров будет чип на галлии-индии. Согласно планам Intel, переход на 10-нанометровые чипы произойдет уже в конце 2016 или начале 2017-го.
А недавно исследователи из Техасского университета в Остине разработали универсальную компьютерную память на основе FeFET-транзисторов, которая в перспективе заменит разные типы памяти современных компьютеров. Это энергонезависимая и быстродействующая память, которая позволит получить работающий компьютер с загруженной операционной системой и работающими приложениями сразу же после момента его включения. Уже разработанные исследователями элементы FeFET-транзистора гарантируют, что внедрение таких технологий в электронике позволит обеспечить соблюдение закона Гордона Мура еще достаточно долго, по крайней мере, до 2028 года.
Разработка FeFET-транзисторов чрезвычайно перспективна благодаря тому, что они изготавливаются не из кремния, а из "более быстрых" полупроводниковых материалов, в первую очередь - галлия. Транзисторы из этого материала работают быстрее кремниевых, а структура FeFET позволит создавать на их основе ячейки энергонезависимой памяти.
Ожидается, что на базе FeFET-транзисторов будут также производить новые высокоэффективные фотогальванические элементы для солнечных батарей, устройства хранения информации высокой плотности, энергонезависимые программируемые матрицы логических элементов и многое другое.
Ученые также ожидают, что именно галлий поможет ответить на вопрос, почему светит Солнце: пока наука располагает лишь гипотезами о природе солнечной энергии. Одна из самых распространенных и авторитетных предполагает, что в недрах небесного светила постоянно идут процессы термоядерного синтеза. Доказать это можно лишь "выследив" нейтрино - частицы, которые образуются при термоядерных реакциях. Но проблема в том, что они не имеют ни массы, ни электрического заряда. Кроме того, Солнце посылает на Землю большие потоки нейтрино с относительно низкой энергией, для фиксации которых ни один из существующих методов не подходит. Оказалось, отличным детектором для выявления нейтрино с малой энергией может служить галлий: ядра изотопа галлия-71 быстро поглощают нейтрино и превращают в ядра германия-71. Определив число образовавшихся атомов германия-71, ученые смогут измерить поток солнечных нейтрино.
