Bakterije in elektrika

Zelo mamljiva je zamisel, da bi nam bakterije delale elektriko. Znanstveniki ugotavljajo, da bi morda nekaj takega bilo mogoče. Raziskave nekih globokomorskih bakterij so pokazale, da v kolikor jih postavimo v okolje z malo kisika, tvorijo male poganjke/nanocevke iz proteinov, ki imajo sposobnost iskanja kisika, pri čemer so sposobne elektrone razširjati po "ožičenem" sistemu, ki ga vzpostavijo z nanocevkami. Kisik je znan kot akceptor (prejemnik) elektronov, bakterije pa naj bi "dihale" na ta način, da oddajajo elektrone. Torej naj bi sistem nanocevk deloval kot elektrofikacijski sistem, ki bi olajšal prenašanje elektronov iz enega mesta do drugega, pač, do tja, kjer se nahajajo akceptorji.

Ključne besede: bacteria go electric, nanowire biological circuit, ...

Akustična pinceta za manipulacijo (sub)mikronskih delcev

Tehnologija ki obeta.

ključne besede: acoustic twezzers

Že nekaj časa poteka razvoj t.i. optičnih pincet (optical tweezers), ki omogočajo manipulacijo (sub)mikronskih delcev s pomočjo močnega laserskega žarka. Ta ustvarja v svoji okolici spremembo električnega polja (bolj natančno je sila na delce odvisna od kvadrata gradienta električnega (in magnetnega) polja). To prikazuje shematično slika, na kateri vidimo, da deluje sila na delec, ki ga vleče v smeri centra žarka. Še bolj osnovna razlaga bi bila, da deluje sila na delec kot posledica vsote momentov od odbitih fotonov.

Več o optičnih pincetah si lahko preberete npr. na straneh:
http://www.stanford.edu/group/blocklab/Optical%20Tweezers%20Introduction.htm
ali
http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers (in reference znotraj)


Trenutno poteka zanimiv razvoj na področju t.i. akustičnih pincet, kjer namesto močnega laserskega žarka vzpostavijo sile na delce z akustičnimi valovi. Ta zelo zanimiva tehnika lahko v mnogočem poenostavi zapleten optični sistem. V osnovi je potrebno imeti vir zvoka, ki pa ga z današnjim stanjem tehnologije brez problema najdemo v miniaturnih piezoelektričnih pretvornikih. Z dvema nasproti postavljenima pretvornikoma je mogoče vzpostaviti stoječe valovanje v katerega se ujamejo delci.
Sliki prikazujeta ujetje polistirenskih delcev manjših od 2 mikrometra (zelene pikice) in skupke rdečih krvnih celic (cca 6 mikrometrov). Stojni val je imel valovno dolžino 100 mikrometrov z močjo 2 kW/m^2.

Kliknite še na video prikaz!



Viri:

http://physicsworld.com/cws/article/news/40311

Radio čip na osnovi idej o delovanju človeškega ušesa

Ideje, da bi poskušali posnemati naravo so že kar nekaj časa prisotne. In tudi obrodile določene uspehe. Tokrat je prišla zanimiva rešitev od raziskovalcev na MIT (znamenite univerze v ZDA). Ti so uspeli izdelati čip, ki deluje na podoben način kot človeško uho. Zazna mehansko nihanje v zraku (zvok) in ga pretvori v električni signal. In to ne z uporabo kondenzatorjev, tuljav in drugih elektrotehniških pripomočkov (elementov) pač pa z uporabo principov mikroobdelave in znanja iz mehanike tekočin, piezoelektrikov itd.

Kako deluje človeško uho si lahko preberete v članku iz portala kvarkadabre:

http://www.kvarkadabra.net/article.php/Kako-deluje-sluh

Daljšo zgodbo izdelavi radio čipa pa na strani

http://web.mit.edu/newsoffice/2009/bio-electronics-0603.html

in

http://web.mit.edu/newsoffice/2009/techtalk53-22.pdf

Bistvena prednost novega čipa pred klasičnimi naj bi bila izredna hitrost delovanja in bistvena, tudi 100 krat manjša poraba. Pustimo se presenečati.

Elektrostatični kondenzator iz nanopor

Značilnost ultrakondenzatorjev je, da imajo izredno veliko kapacitivnost. Če so običajne kapacitivnosti velikosti mikro ali pikofaradov, imajo ultrakondenzatorji kapacitivnosti velikosti faradov, torej milijonkrat več. Kako to dosežejo?

Kapacitivnost opisuje zvezo med električnim nabojem na elektrodama (+-Q) in napetostjo med elektrodama kondenzatorja U : Q = CU. Več kot je naboja med elektrodama višja je napetost. Hkrati je mera za zmožnost shranjevanje energije, večja kapacitivnost omogoča shranjevanje večje količine energije pri enaki napetosti: W= 0,5*CU^2.

Iskaže se, da je kapacitivnost snovno-geometrijska lastnost. Odvisna je od materiala med elektrodama ter od razdalje med elektrodama in površine elektrod. Večje kapacitivnosti se doseže pri večji površini elektrod in manjši razdalji med elektrodama.

Večje kapacitivnosti so bistvenega pomena za nadaljnji razvoj naprav, ki temeljijo na uporabi prenosne električne energije. Morda največji trg predstavljajo v bodočnosti avtomobili na električno energijo. Predvsem pa je pomembno, da kondenzator omogoča čim večjo kapacitivnost na težo in hkrati čim večjo moč na težo.

Na Univerzi Maryland (ZDA) so uspeli izdelati kondenzator iz nanopor, v katere s tehnologijo depozicije atomskih plasti (ALD: atomic layer deposition) kontrolirano nanesejo (deponirajo) tako prevodne kot neprevodne plasti. Nanopore so izdelali z anodizacijo tankih lističev aluminija, nato pa s tehnologijo ALD nanesli prevodno plast (TiN), nato izolatorja (Al2O3) in zopet prevodnika (TiN). Pri 1 um debeli plasti aluminija so dosegli kapacitivnost (na površino) 10 uF/cm2, kar je izjemen rezultat. Taki nanokondezatorji uspevajo doseči moči 10^6 W/kg, hkrati pa tudi zelo velike gostote energije (0,7 Wh/kg), kar je sicer značilno le za elektrokemijske kondenzatorje.

Slika 1: Kondezator kot strnjen element, priključen na vir napetosti U.

Slika 2: Zveza med nabojem in napetostjo na kondenzatorju ter energija shranjena v kondenzatorju.

Slika 3: Postopek izdelave nanoporskih kondenzatorjev s formiranjem por v aluminijev listič in nato z izmeničnim nanašanjem atomskih plasti prevodnega in izolirnega materiala.

Slika 4: Zelo regularna formacija nanopor.

Slika 5: Formiran kondenzator v preseku slikam s SEM (skenirnim elektronskim mikroskopom).

Več:

Banerjee et al.: Nanotubular metal–insulator–metal capacitor
arrays for energy storage, Nature Nanotechnology doi: 10.1038/nnano.2009.37 (2009).

Printanje s srebrnimi nanodelci

Že nekaj časa spremljam razvoj na področju tiskanja vezij s prevodno barvo. Razvoj na tem področju je hiter in nedvomno bodo v nekaj letih postali klasični načini izdelave PCB vezij zastareli. Vsaj za izdelavo testnih vezij.

V blogu bi omenil le zadnji dosežek raziskovalcev iz Univerze Illinois (ZDA), katerim je uspelo izdelati prevodno barvo na osnovi srebrnih nanodelcev. Najmanjša dosežena debelina tiskanja nanodelcev je bila 2 mikrometra, kar je sijajno in odpira možnosti uporabe tovrstnega tiskanja tudi pri izdelavi mikrostruktur.Printajo lahko na polprevodniški substrat, steklo ali plastiko. Največja zanimivost pa je tako imenovano omnidirectional printanje, torej nekakšno tiskanje v vse smeri. Slika spodaj kaže, da jim je dejansko uspelo narediti prevodne proge, ki kot mostovi prečkajo spodaj ležeče prevodne proge. To omogoča printer, ki se lahko goblje v treh smereh. Poleg tega je potrebno po printanju vse skupaj postaviti v pečico na 150 stopinj C, podobno kot pizzo.

Slika: 4x4 GaAs diode povezane s povezamavi iz srebrnih nanodelcev.

Spodnja slika kaže, da je mogoče s predstavljeno tehnologijo printati tudi na fleksibilne površine.

Vir: http://news.illinois.edu/news/09/0212ink.html

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1168375v1

Fleksibilna elektronika -

Raziskovalci iz Univerze Miami so nedavno objavili, da jim je uspelo izdelati fleksibilno elektroniko (vezje z električnimi elmenti na fleksibilnem substratu), na kateri so otočki kristalnega silicija. To omogoča, da je elektronski elementi izdelani s prirejeno CMOS tehnologijo, kar je bistvena razlika od fleksibilne elektronike z materiali iz organskih snovi. Pri slednjih namreč nastopa problem majhne mobilnosti nosilcev naboja, kar pomeni, da so fleksibilna vezja iz organskih materialov večinoma počasna (mobilnosti max. 1 cm^2/Vs). Z izdelavo elementov iz kristalnega silicija so uspeli doseči mobilnosti velikosti 130 cm^2/Vs za p-tip polprevodnikov in cca. 370 cm^2/Vs za n-tip polprevodnike. To pomeni, da so tako izdelani elementi bistveno hitrejši kot elementi iz organskih materialov. Tipične ON/OFF hitrosti so velikosti 10^6. Elementi delajo pri napetostih < 5 V.

(Kot kaže, gredo tehnologije fleksibilne elektronike v več smeri. V končni fazi bo pač odločala cena in karakteristika. Kot vedno.)




V osnovi se proces izdelave vezij na fleksibilnem substratu sestoji iz dveh faz. V prvi fazi izdelajo sturkture na osnovnem pomožnem substratu, ki ga potem zjedkajo, tako, da ostane le tanek film s strukturami in povezami. Nato spodaj nanesejo tanko plast Cr/SiO2 (3 nm/30 nm) in nato izdelajo plast iz poli(dimethylsiloxan) a (PDMS) , ki je fleksibilna. To plast predhodno raztegnejo in nanjo položijo vezje ter ustvarijo močno povezavo.


Kaj si lahko obetamo od te tehnologije? Morda najzanimivejše aplikacije bodo v smeri elektronskih vezij za vnos v človeško telo

Več o tej zanimivi tehnologijo si preberite v

http://www6.miami.edu/UMH/CDA/UMH_Main/1,1770,2593-1;65791-3,00.html
ali v originalnem viru:

Materials and Noncoplanar Mesh Designs for Integrated Circuits with Linear Elastic Responses to Extreme Mechanical Deformations

Poglejte še video raztegovanja vezja. VIDEO.

Teleportacija

Znanstveniki iz Univerze Maryland (ZDA) je uspel eksperiment s teleportacijo na razdaljo enega metra. Pa ne eksperiment, kot ga vidite na sliki. Ta je bolj podoben tistemu iz filma Star Track, kjer se prestavljajo iz vesoljske ladje na planete ali na drugo ladjo s teleportacijo. Med teleportacijo, ki jo uspevajo pri Star tracku in eksperimentom znanstenikov na Univerzi Maryland je podobnost pa tudi velika razlika. V filmu so prestavili celo osebo, na Univerzi Maryland pa so "prestavili" informacijo enega atoma brez premikanja na razdalji en meter.

"Teleportacijo" v znanosti že nekaj časa poznamo v smislu prenosa kvantne informacije (spina delca ali polarizacije fotona) preko medija brez fizičnega premika. Pred tem jim je uspeval ta princip pokazati s "teleportacijo" fotonov, pa tudi atomov na manjšo razdaljo in s pomočjo tretjega atoma. Sedaj jim je uspelo teleportirati kvantno informacijo atoma na razdalji enega metra brez posredovanja tretjega.

Kaj sploh je teleportacija? Ta je mogoča na atomskem nivoju zaradi fenomena, ki ga imenujejo entanglement (entangle = zamotati, zaplesti, omrežiti; spraviti v
zadrego;) in opisuje, da sta dva delca ob določenih stanjih lahko povezana. Če se spremeni stanje enega se spremeni tudi stanje drugega.


Kako doseči tako stanje?

Raziskovalcem Univerze Maryland je uspelo povezati dva atoma (iona) iterbija (redka kovina), pri čemer sta bila oba shranjena v visokem vakuumu in sta lebdela v nevidni kletki, ki so jo ustvarili z elektromagnetnim poljem. ....

Več o tem v:

100% absorpcija svetlobe ?

Raziskovalci iz Rensselaer Polytechnic Institute (ZDA) so uspeli realizirati posebno antireflektivno plast, ki omogoča skoraj 100% absorpcijo sončnih žarkov. To je izjemnega pomena za zvečanje izkoristka sončnih celic. Silicij, ki se pogosto uporablja kot osnova za proizvodnjo sončnih celic, zbere brez posebnega tretmaja 67.4% sončne svetlobe. Nova tehnologija omogoča absorpcijo več kot 96% sončne svetlobe.

Kako je to mogoče? Tako visoko absorpcijo omogoča sedem 50 do 100 nm (nm = 10^-9 m) debelih plasti iz nanocevk iz silicijevega dioksida in titanovega dioksida. Vsaka taka plast deluje kot gozd z gostimi vejami, kjer se svetloba "ujame" in ne najde poti ven.
Sedaj bo potrebno le še izkoristiti to svetlobo in povečati izkoristek celic za kakšen procent.
):

Več:

http://news.rpi.edu/update.do

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/11/081103130924.htm

Elektrika iz fleksibilnih nanoanten

Pridobivanje električne energije je pomembna problematika, ki se jo zavedajo vse države. Mnogo poskusov je, da bi nadomestili nuklearne elektrarne in termoelektrarne z bolj "zelenimi" tehnologijami, ki so manj škodljive okolju. Ena od tehnologij, ki se že dolgo trudi narediti preboj je uporaba sončnih celic. Kljub zelo velikim naporom raziskovalcev, da bi izboljšali njihovo učinkovitost in zmanjšali ceno, večjih prebojev na tem področju še vedno ni. Sedaj se obeta, da se bo tehnologiji izkoriščanja sončne svetlobe za pretvorbo v električno energijo pridružila še tehnologija, ki temelji na zajemanju infrardeče svetlobe.










V te namene raziskovalci iz Idaho National Laboratory, Florida, preiskušajo možnost uporabe množice miniaturnih antenic (nanoantenna array), ki bi zajemale elektromagnetno energijo infrardeče svetlobe na podoben način, kot električno energijo zajemamo s pomočjo anten (tuljavic), ki jih imamo v radijskih sprejemnikih. (Infrardeča svetloba je "pod rdečo" in je za ljudi nevidna. Sonce je zelo močan vir IR svetlobe, 48% po Wikipediji - http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared.) Najprej so preiskušali strukture izvesti s pomočjo polprevodniške tehnologije na silicijevih ploščicah in dosegli več kot 80% absorpcijo infrardeče svetlobe. Sedaj jim je uspelo tudi izdelati nanoantenice na foliji iz polietilena, še vedno z zelo dobro absorpcijo IR svetlobe.

Največje težave do dokončne aplikacije in komercializacije pa še prihajajo, saj se v nanoantenicah inducirajo izmenični tokovi izredno visoke frekvence, blizu terahercev. Ta tok visoke frekvence je nekako potrebno spraviti v enosmernega ali pa bistveno znižati frekvenco, kar pa še ni jasno, kako naj bi se naredilo za vse milijarde miniaturnih antenic.
Pustimo se presnečati ....

Več:
http://www.insidetech.com/news/2806-nanoantenna-skin-to-provide-pc-cooling-solar-cells?page=2
http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/story?id=53300

Memristor

Memristor je t.i. četrti (missing) osnovni element električnih vezij. Sedaj naj bi torej poleg upora,kondenzatorja in tuljave upoštevali še en element: memristor.
Teoretično naj bi bil znan že kar dolgo, o njem je pisal že leta 1971 profesor univerze Berkley (ZDA) Leon Chua. Ideja je v povezavi štirih osnovnih veličin v elektriki: električnega toka, napetosti, naboja in magnetnega pretoka (fluksa). Osnovne zveze so prikazane na sliki. Upor podaja zvezo med napetostjo in tokom , kondenzator zvezo med nabojem in napetostjo, tuljava zvezo med magnetnim pretokom in tokom in memristor doslej nez(az)nano povezavo med magnetnim pretokom in nabojem. Najbolj zanimiva lastnost memristorja naj bi bila ta, da ima lastnosti memoriranja (od tod tudi ime), da je torej odziv tega elemeta odvisen od predhodnega odziva.Teoretično naj bi deloval torej podobno kot upor vendar s to razliko, da bi bila vrednost upornosti odvisna od predhodnega stanja tega elementa. Chua je tak element uspel zgraditi iz osnovnih gradnikov vezij, uporov, kondenzatorjev, tuljav, ki pa jim je moral dodati tudi aktivne elemente - tranzistorje. Sedaj je uspelo raziskovalcem pri HPju (Hewlet-Packard) najti element, ki izkazuje točno take lastnosti, le, da je za to potreben en sam material in še ta nanometrske velikosti.
Izkazalo se je, da ima take lastnosti material iz titanovega dioksida. Ta je tudi polprevoden, tako kot silicij, iz katerega je večina polprevodniških elementov (čipov). V osnovnem stanju je TiO2 neprevoden in postane prevoden z dopiranjem (vnašanjem drugih atomov). In še več, ob dovolj velikem električnem polju postanejo atomi dopantov mobilni in se premaknejo v smeri polja.Na ta način pridobijo lastnost memoriranja, saj je njihova prevodnost na določenem mestu odvisna od predhodne vzpostavitve električnega polja. V osnovi so pri HPju raziskovali lastnosti TiO2, ki deluje kot detektor kisika: prisotnost kisikovih atomov poveča prevodnost TiO2, kar se odraža v spremenjenih električnih lastnostih. Bolj podrobna analiza pa pokaže, da obstaja določena histereza, ki je ključnega pomena za delovanje memristorja.

Aplikacije so seveda na vidiku: ena najvidnejših seveda spominske celice. In to ne le "navadne" računalniške pač pa v obliki pravih nevronskih mrež, saj naj bi memristor deloval podobno kot naše možganske celice s sinapsami: ko je dosežen določen prag se signal sproži. Podoben prag je mogoče nastavljati in dosegati z memristorji.
Pustimo se presenečati.


Image: An atomic force microscope image of a simple circuit with 17 memristors lined up in a row. Each memristor has a bottom wire that contacts one side of the device and a top wire that contacts the opposite side. The devices act as 'memory resistors', with the resistance of each device depending on the amount of charge that has moved through each one. The wires in this image are 50 nm wide, or about 150 atoms in total width. Image courtesy of J. J. Yang, HP Labs.

VEČ:
http://blog.wired.com/gadgets/2008/04/scientists-prov.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Memristor
http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=207403521&pgno=1
http://www.hp.com/hpinfo/newsroom/press/2008/080430a.html