Нанотехнологии – «Будущее сейчас»

Графен изолирован

Графен является одной из кристаллических форм углерода наряду с алмазом, графитом, углеродными нанотрубками и фуллеренами. В этом материале атомы углерода расположены в правильной гексагональной структуре. Графен можно описать как слой слоистого минерального графита толщиной в один атом. Высококачественный графен чрезвычайно прочен (до 300 раз прочнее стали), легкий, почти прозрачный и проводит электричество лучше, чем медь. Его взаимодействие с другими материалами, а также фотонами и его изначально двумерная природа создают уникальные свойства.

На момент его выделения в 2004 году исследователи, изучающие углеродные нанотрубки, уже были хорошо знакомы с составом, структурой и свойствами графена, которые были теоретизированы десятилетиями ранее. Сочетание знакомости, экстраординарных свойств и удивительной простоты изоляции привело к взрыву в исследованиях графена. Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году «за новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена».

К 2013 году во всем мире было выдано более 7000 патентов на графен. В том же году Европейский союз объявил о проекте стоимостью 1 миллиард евро с участием исследователей из 200 научно-исследовательских институтов, призванном ускорить изучение его свойств и технологий производства.

Часто описываемый как «чудесный материал 21-го века» — как пластик до 20-го — позже появится ряд революционных применений. Разработка легких, ультратонких, гибких и более прочных экранов дисплея; замена кремния, позволяющая продолжить закон Мура; высокоэффективные солнечные элементы; более дешевые и быстрые методы опреснения воды; различные новые медицинские, химические и промышленные процессы — всё это станет возможным в последующие десятилетия.

Ученые извлекают изображения непосредственно из мозга

В результате крупного научного прорыва японская компания разработала способ анализа электрических сигналов, посылаемых зрительной корой головного мозга, и преобразования их в цифровые изображения на экране. В одном из экспериментов испытуемым показывали шесть букв в слове “нейрон”. Компьютер успешно восстановил слово на экране, измерив активность их мозга.

Больше…

Ученые получают новую пластмассу без использования ископаемого топлива

В 2009 году исследователи из Южной Кореи разработали одноступенчатый производственный процесс для создания повседневных пластмасс с помощью биоинженерии, а не химических веществ на основе ископаемого топлива. До этого момента почти все пластмассы сильно зависели от нефти, которая становилась все более ограниченным ресурсом. Было также показано, что эти новые пластмассы являются более экологически чистыми, биоразлагаемыми и малотоксичными.

Больше…

Ученые ловят антивещество в ловушку

В 2010 году исследователи из ЦЕРН захватили 38 атомов антиводорода, удерживая их на месте в течение одной шестой секунды. Это был первый случай в истории науки, когда люди поймали антивещество в ловушку. Хотя антиводород производился и раньше, он мгновенно разрушался при столкновении с обычной материей.

Больше…

Большой адронный коллайдер достигает максимальной рабочей мощности

Большой адронный коллайдер (БАК) является крупнейшим в мире ускорителем частиц с самой высокой энергией. Объединяя субатомные частицы со скоростью, близкой к скорости света, он стремится воссоздать условия, которые существовали всего через долю секунды после рождения Вселенной. При этом ожидается, что в нем будут рассмотрены некоторые из наиболее фундаментальных вопросов физики.

БАК расположен в туннеле-круге длиной 27 километров, в 175 метрах под землёй, проходя через франко-швейцарскую границу недалеко от Женевы, Швейцария. Этот синхротрон предназначен для столкновения противоположных пучков частиц либо протонов с энергией 7 тераэлектронвольт (7 ТэВ) на частицу, либо ядер свинца с энергией 574 ТэВ на ядро. Термин “адрон” относится к частицам, состоящим из кварков.

Структура была построена Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) с целью проверки различных предсказаний физики высоких энергий, включая существование гипотетического бозона Хиггса и большого семейства новых частиц, предсказанных суперсимметрией. Он был построен в сотрудничестве с более чем 10 000 учеными и инженерами из более чем 100 стран, а также сотнями университетов и лабораторий.

В сентябре 2008 года пучки протонов впервые успешно циркулировали в главном кольце БАК, но девять дней спустя его работа была остановлена из-за серьезной неисправности. В ноябре 2009 года они были успешно распространены снова, первые зарегистрированные протон-протонные столкновения произошли три дня спустя при энергии инжекции 0,45 ТэВ на пучок. После зимнего отключения 2009 года БАК был перезапущен, и луч был увеличен до половины мощности, 3,5 ТэВ на луч (т.е. половина его расчетной энергии). В марте 2010 года произошло первое запланированное столкновение двух пучков с энергией 3,5 ТэВ – новый мировой рекорд по столкновениям частиц с самой высокой энергией.

Первоначально эксперимент вызывал у общественности опасения, что столкновения могут привести к сценарию конца света с участием микроскопических черных дыр или гипотетических частиц, известных как странные частицы. В двух обзорах безопасности, проведенных по заказу ЦЕРНА, были рассмотрены эти проблемы и сделан вывод о том, что эксперименты на БАК не представляют опасности и что нет причин для беспокойства, и этот вывод был одобрен Американским физическим обществом.

В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С ежегодными перерывами на зиму, собирается статистика протон-протонных столкновений. В ноябре и начале декабря 2016 г. около месяца проводились столкновения протонов с ядрами свинца. Осенью 2017 года прошёл пробный сеанс столкновений ядер ксенона, а в конце 2018 года в течение месяца проводились столкновения ядер свинца.

Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

За БАК последуют ещё более крупные ускорители частиц в 2028 и 2035 годах.

Растёт использование нанотехнологичной одежды

Ткани, созданные с использованием нанотехнологий, становятся широко распространенными. Популярна у потребителя по-настоящему водонепроницаемая одежда. Она изготовлена из полиэфирных волокон, покрытых миллионами силиконовых нитей, и структурирована таким образом, что вода просто соскальзывает с нее, не оставляя ни намека на влажность.  Нанотехнологии также используются военными, полицией, пожарными и другими специалистами для повышения упругости и гибкости спецодежды, защитного снаряжения и другого оборудования. Некоторые виды униформы могут отталкивать химические и биологические реагенты.

Больше…

Запущен экспериментальный термоядерный реактор ITER

Искусственно созданная термоядерная реакция уже демонстрировалась в малом масштабе. Существовала задача отыскать способ увеличить его масштаб до уровня коммерческого использования эффективно, экономично и без нанесения вреда окружающей среде.

Реактор ITER, известный ранее как Международный термоядерный экспериментальный реактор, будет первым проектом, удовлетворяющим данным условиям. Он был построен на юге Франции за 20 миллиардов евро за десять лет, это один из самых грандиозных когда-либо предпринимаемых научных проектов, занимающий второе место после Международной космической станции. Это совместный исследовательский проект США, ЕС, Японии, России, Китая, Индии и Южной Кореи.

Чтобы продемонстрировать чистую термоядерную мощь в большом масштабе, реактор должен воспроизвести условия, аналогичные условий в центре Солнца. Для достижения данной цели используется устройство под названием токамак, удерживающее плазму магнитным полем. Это тороидальная вакуумная камера генерирует мощное магнитное поле, не дающее жару достигать стен реактора. Небольшие дозы топлива впрыскиваются и втягиваются в камеру. Здесь они разогреваются до температуры 100 миллионов градусов, формируя плазму. При такой высокой температуре легкие атомные ядра водорода сплавляются вместе, создавая более тяжелые соединения водорода, такие как дейтерий и тритий. Что высвобождает нейтроны и огромное количество энергии

После операционного запуска в 2025 году можно надеяться, что ITER в результате будет производить более 500 мегаватт мощи, порциями в 400 секунд и больше. Его можно сравнить с «Общим европейским тором» (JET), предыдущим рекордсменом по пиковой термоядерной мощи (16МВ), длившейся всего несколько секунд в 1997 году.

Потребуется еще несколько десятилетий, пока реактор ITER будет в достаточной степени усовершенствован. Для того чтобы генерировать продолжительное напряжение для коммерческих нужд, потребуется создать способ задержки плазмы в условиях критической плотности и температур. Для этого понадобится улучшить конструкцию камеры, применить усовершенствованные сверхпроводящие магниты и продвинутые вакуумные системы.

Однако это может привести к конечному прорыву в области энергетики. Если проект окажется удачным, человечество получит доступ к практически неограниченному запасу экологически чистой энергии.

 

Больше…

Разработка медицинских нанороботов

Разрабатываются наномасштабные роботы, чьи размеры на порядки меньше размеров ранних микро-версий. Они являются частью программы по улучшению и модернизации системы здравоохранения. В некоторых странах разработка и внедрение этих роботов уже вошли в стадию проведения испытаний на людях и скоро будут одобрены правительством. Они могут быть использованы как для диагностики, так и для лечения. Размер нанороботов позволяет им проникать в ранее недоступные места человеческого тела или же воздействовать на области, которые чересчур восприимчивы для обычных инструментов.

В ближайшие годы самый значимый прорыв произойдет в методах борьбы с раком. С использованием  нанороботов  можно будет обнаружить опухоль на самой ранней стадии, а затем воздействовать на нее с большой точностью. Даже излечение пациентов, которым раньше могли бы поставить диагноз «неизлечимо больной», становится обычным делом. Резко улучшаются возможности диагностики болезней сердца, неврологических расстройств и многих других заболеваний. В сочетании с выдающимися успехами в исследовании стволовых клеток это позволит создать следующее поколение медицинских препаратов с совершенно новым уровнем эффективности.

Нанороботы создаются методом молекулярного наслаивания с использованием позиционно-контролируемого алмазного механосинтеза и алмазоидных нанофабрик. Каждый робот способен самостоятельно перемещаться, используя крошечный моторчик, а также оснащен микроскопическими сенсорами, системой наведения и системой связи.

3D-печатные электронные мембраны предотвращающие сердечные приступы

После нескольких лет клинических испытаний, сначала проведённых на кроликах, а позже на людях, доступно новое устройство, которое может значительно улучшить мониторинг и лечение сердечных заболеваний. Используя технологию 3D-печати, создаётся ультра-тонкая мембрана, которая разрабатывается индивидуально и точно соответствует форме сердца пациента. Крошечные датчики, встроенные в сетке гибкой электроники, измеряют пульс, температуру, механические нагрузки и уровень pH с гораздо большей точностью и детализацией, чем это было возможно с помощью предыдущих методов. Врачи могут определить общее состояние здоровья сердца в реальном времени, предсказать надвигающийся сердечный приступ прежде, чем у пациента начнут проявляться какие-либо внешние физические признаки и вмешаться в случае необходимости для предоставления необходимой терапии. Само устройство может обеспечить разрядами электроэнергии в случае аритмии.

Эта электронная оболочка может быть установлена с помощью неинвазивной процедуры, путём установки катетера в вену под ребра, и затем открытия сетки, на подобие зонтика.

В настоящее время устройство подводится к внешней поверхности сердца. Однако, будут разработаны новые и более продвинутые версии, которые будут устанавливаться непосредственно внутрь сердца для лечения различных заболеваний, включая мерцательную аритмию, которая влияет на 2,5 миллиона взрослых в США и 4,5 миллионов человек, проживающих в ЕС, на которую приходится одна треть госпитализаций по причине нарушения сердечного ритма и является основным фактором риска развития инсульта.

Большой прогресс в осуществлении мониторинга, диагностики и лечения болезней сердца, благодаря этой и другим технологиям, появившимся в это время, оказывают стремительное влияние на снижение показателей смертности. В 2040-е годы число смертей в некоторых развитых странах от сердечно-сосудистых заболеваний достигнет незначительного уровня.

Больше…

Завершено строительство Международного линейного коллайдера

Данный проект является кульминацией более чем 25 лет объединенных международных усилий, с получением финансирования и участием в исследовании Европы, Азии, Северной и Южной Америк. Более 300 университетов и лабораторий приняли участие в проекте. Он возник как серия из трех отдельных предложений: Следующий линейных коллайдер (NLC), Глобальный линейный коллайдер (GLC) и Тераэлектронвольтный энергетический полупроводниковый линейный ускоритель (TESLA) — все они были объединены в один проект, Международный линейный коллайдер (ILC).

Расположенный в Европе, МЛК является последователем Большого адронного коллайдера (LHC), построенным на основе работ, уже произведенных данным аппаратом. Несмотря на то, что столкновения в нем не такие мощные, он производит намного более точные измерения. Он также излучает меньшее количество электромагнитной радиации

МЛК состоит из двух противоположно размещенных линейных ускорителей, общей протяженность 31 километр, сталкивающими частицы и античастицы друг с другом на скорости, приближающейся к скорости света. Устройство включает не только линейные ускорители, но и два кольца окружностью 6,7 километра. На данный момент уровень мощь столкновения — 500 миллиардов электрон-вольт (ГэВ), но скоро поднимется до триллиона электрон-вольт (ТэВ).

Высокая точность и точные записи, обеспечиваемые МЛК, помогают раскрыть некоторые наиболее глубокие тайны вселенной. Некоторые эксперименты касаются многомерной физики и суперсимметричных частиц, в то время как другие помогают исследовать темную материю.

Первоначально планировалось завершить строительство в 2019 году, но из-за значительных задержек; из-за финансовых, технических вопросов, а также международных соглашений, коллайдер был готов лишь в 2026 году.

Больше…