Свойства новых материалов
Долгожданный мемристор. Нановолокно для спинного мозга. Странные ауксетики
Сотрудники исследовательского отдела американской корпорации «Хьюлетт-Паккард» реализовали полузабытую техническую идею, которая ранее считалась практически неосуществимой. Впервые она была высказана в чисто теоретической работе молодого профессора электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета Леона Чуа, опубликованной в 1971 году, – по любопытному совпадению, одновременно с появлением на рынке первого в мире микропроцессора Intel 4004. Чтобы понять, о чем там шла речь, придется кое-что вспомнить из курса школьной физики. Все элементы электрических цепей принято делить на активные и пассивные. Электрическое устройство называется активным, если для его работы нужен независимый источник энергии – таков, например, транзистор. Пассивными считаются блоки, которые либо рассеивают, либо накапливают энергию тока, протекающего по основной цепи, и для этого не нуждаются ни в каких вспомогательных источниках питания. Традиционная электротехника знает три типа пассивных элементов. Это омические сопротивления, они же резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Когда ток идет через резистор, его энергия рассеивается, частично переходит в тепло. Конденсаторы и индукторы, напротив, накапливают энергию тока – первые в виде электрического поля, вторые – магнитного. Поэтому они тоже оказывают сопротивление току, однако тепла не выделяют и энергию не тратят (во всяком случае, в идеале), Изменение магнитного потока, создаваемого катушкой индуктивности, пропорционально изменению силы тока. Профессор Чуа представил себе устройство, в котором магнитный поток меняется пропорционально величине прошедшего заряда. Вычисления показали, что его сопротивление в данный конкретный момент будет зависеть от того, под каким напряжением оно находилось на предшествующем отрезке времени. Это будет «сопротивление с памятью», по-английски, memory resistance. По этой причине Чуа назвал свое воображаемое устройство мемристором. В двадцатом столетии никто не пытался реализовать идею мемристора на практике, да и в теории она почти не обсуждалась. Однако недавно ею заинтересовалась небольшая группа работников фирмы «Хьюлетт-Паккард» во главе со Стэнли Уильямсом. Им удалось построить действующую модель мемристора – правда, отнюдь не в том виде, в каком он первоначально был замыслен Леоном Чуа. Об этом они сообщили 1 мая в журнале Nature. Один из авторов, выпускник Московского физико-технического института Дмитрий Струков, в интервью Русской редакции «Голоса Америки» сказал: «Вся суть мемристора состоит в том, что он запоминает количество прошедшего через него заряда. Правда, наше устройство нельзя считать настоящим мемристором, это скорее его функциональная модель. И действует оно без всякого участия магнитного поля, вместо него у нас работают полупроводники». Наша система, продолжал Струков, в принципе очень проста. Это два слоя диоксида титана толщиной всего в несколько нанометров, зажатых между платиновыми электродами. Электропроводность этого полупроводника зависит от плотности свободных вакансий в его кристаллической решетке, которые могут занимать кислородные атомы. С ростом числа вакансий она увеличивается, со снижением – уменьшается. При этом сами вакансии подвижны, они могут мигрировать от одного слоя к другому. Именно это и происходит под действием электрического напряжения – вакансии смещаются туда, где их было меньше. В итоге сопротивление всего сандвича меняется. Однако главное в другом. Характер движения вакансий зависит от того, как колеблется напряжение. Например, если приложить сильный, но очень короткий импульс, они просто не успеют сдвинуться, и сопротивление останется прежним. Если напряжение меняется медленно, вакансии успевают поплыть, что сказывается на сопротивлении. Таким образом, сопротивление оказывается функцией заряда, прошедшего от одного электрода к другому. Это и означает, что полупроводниковый наносандвич служит моделью мемристора. При этом он должен быть действительно очень тонким, иначе эффект пропадает. В заключение наш собеседник подчеркнул, что полупроводниковый мемристор может находиться во множестве состояний, переходы между которыми непрерывны. Этим он отличается от дискретных цифровых устройств современной компьютерной техники и скорее напоминает синапсы головного мозга. Дмитрий Струков полагает, что мемристоры сначала и будут применяться для создания вычислительных систем, действующих по аналогии с нейронными цепями. Чтобы это стало возможным, надо лучше понять и как работает мозг, и как действуют мемристоры (а после этого еще освоить их массовое производство). Все это потребует времени – и, скорее всего, немалого. Чикагские исследователи создали жидкий биополимер, залечивающий повреждения спинного мозга. В его состав входят органические молекулы, которые в определенных условиях самопроизвольно выстраиваются в полые трубки нанометрового диаметра, переплетающиеся друг с другом. Именно такие превращения имеют место при его попадании в травмированную зону спинного мозга. В результате она покрывается тончайшей сеткой, которая создает опору для роста новых нервных волокон. Профессор материаловедения Сэмюэль Стапп и его сотрудники проверили терапевтические возможности своего изобретения в опытах на мышах. У этих животных были перерезаны волокна спинного мозга, проводящие двигательные и сенсорные импульсы. В результате мыши лишились способности передвигать задние конечности и ощущать нижнюю половину тела. На следующие день ученые ввели новый материал непосредственно в пораженные участки. Наблюдения показали, что эта процедура не только стимулирует рост новых нервов, но также способствует заживлению шрамов, оставшихся после первоначальной травмы. Хотя она и не привела к полному излечению животных, у тех все же частично восстановились утерянные моторные функции. Бегать они уже не могли, однако через два месяца были в состоянии самостоятельно передвигаться. Профессор Стапп вошел в число основателей молодой компании Nanotope, которая намерена заняться усовершенствованием нового материала с целью его использования в клинической практике. Ученые уже занялись проверкой его воздействия на культуры человеческих клеток и пока что не выявили никаких негативных эффектов. Тонкие листы, состоящие из переплетенных друг с другом углеродных нанотрубок, могут при растяжении не сжиматься, а напротив, расширяться. Этот эффект обнаружили физики из США и Бразилии, чья статья 25 апреля появилась в журнале Science. Материалы, которые при растяжении распухают в направлении, перпендикулярном приложенной силе, известны уже более ста лет. Сначала у них не было собственного имени, но сейчас их называют ауксетиками. К их числу относятся некоторые природные минералы, а также живые ткани – например, кожа коровьего вымени. В 1987 году профессор Висконсинского университета Родерик Лэйкс синтезировал первый искусственный ауксетик. Не так давно английская фирма Auxetiх Ltd наладила выпуск защитной ткани-ауксетика Zetix, которая не рвется при взрывах. Как показали исследования ученых Техасского университета и их бразильских коллег, ауксетиками могут быть и листы нанотрубочной «бумаги». Для этого их нужно изготовлять из нанотрубок двух типов – одностенных и многостенных. Одностенная трубка представляет из себя простой цилиндр, в то время как многостенная состоит из нескольких концентрических цилиндров, вложенных друг в друга. Рей Бауман обнаружил, что механические свойства таких листов сильно зависят от содержания нанотрубок обеих разновидностей. Листы, которые по преимуществу состоят из одностенных нанотрубок, при растяжении ведут себя самым обычным образом. Увеличение концентрации многостенных нанотрубок приводит к тому, что на определенном этапе материал скачком превращается к ауксетик и к тому увеличивает свою прочность. Ученые, которые обнаружили этот эффект, полагают, что многостенные нанотрубки образуют структуры, работающие в качестве распорок. Эти структуры раздвигаются перпендикулярно растягивающей силе и тем самым расширяют весь лист.