Издательский дом ООО "Гейм Лэнд"ЖУРНАЛ ХАКЕР #100, АПРЕЛЬ 2007 г.

Материя на пределе возможностей

Юрий Свидиненко

Хакер, номер #100, стр. 050

(metamorph@yandex.ru)

Все об «умных» материалах

Интеллектуальная среда обитания – вот чего не хватает человеку XXI века. Всеобщая информатизация, на самом деле, не всеобща. Хочется, чтобы под каждым камнем была розетка 220 В, а Wi-Fi доступ в интернет не пропадал даже в стратосфере. И это уже не кажется фантастикой, просто нужно немного подождать. Ничего качественно нового такие изменения нам не принесут. Но в том-то и дело, что технологии развиваются не только количественно, но и качественно, но об этом принято традиционно забывать в футурологических прогнозах на ближайшее будущее…

Материалы Xtreme

Человечество с давних пор делает нужные материалы под себя, правда раньше они чаще всего «не отличались умом и сообразительностью». Да и не нужно это было тогда. Сегодня некоторые виды материалов тоже совсем не обязаны характеризоваться большим количеством транзисторов или экспресс ДНК-анализом. Взять хотя бы обычный канат - с развитием технологий он должен быть легче, жестче и вроде бы все. Можно, конечно, сделать индикацию на разрыв, показывающую, сколько он еще выдержит, но это напрямую не касается его основного предназначения.

«Наращивание мускулов» известных нам материалов в наш век дойдет почти до предела. И в этом нет ничего фантастического, поскольку физика твердого тела в прошлом веке заложила теоретические основы для создания uber-материалов, а сегодня нанотехнологии начинают воплощать теорию в жизнь.

Ты, наверняка, слышал о нанотрубках. Но, я думаю, ты удивишься, если узнаешь, что средневековые мастера использовали их для создания знаменитой дамасской стали, секрет производства которой был долгое время неизвестен. Это была лучшая оружейная сталь: прочная и при этом достаточно гибкая.

Но недавно немецкий ученый Петер Пауфлер догадался посмотреть на дамасский кинжал под электронным микроскопом и увидел в составе стали… обычные нанотрубки! Но люди получают их только последние 10 лет, а возраст кинжала был порядочным. Как же могли древние оружейники сделать настолько высокотехнологичный материал, который мы пока получить не можем, даже зная, как он «устроен»?

Ученые полагают, что при ковке стали некоторые примеси в ней вызывали рост углеродных нанотрубок (примеси были достаточно простыми - это сгорающее дерево и листья для растопки кузни). Потом нанотрубки наполнялись карбидом железа, формируя из него тончайшие нити. Хотя звучит это просто, но получить таким же способом дамасскую сталь Пауфлеру пока не удалось.

Зато ученым из США и Австралии удалось сотворить из нанотрубок такое, что оружейникам древности даже и не снилось. Они сделали прозрачную ткань, состоящую из нанотрубок, длиной 1 (!) метр и шириной 5 сантиметров. Ранее ученые получали нанотрубки длиной только в несколько сантиметров. Кроме того, эта лента обладает высокой прочностью и может превратиться в гибкий сверхтвердый OLED-экран, если снабдить ее транзисторами и светодиодами.

Эту наноткань может иметь самое разное применение: и в строительных материалах, и в снаряжении, и даже для изготовления бронежилетов… Ткань из нанотрубок может использоваться даже в освещении, заменяя лампы дневного света и обычные лампочки.

Наноткань - это, конечно, не массив «цельных» нанотрубок, а композит, состоящий из переплетенного леса многослойных нанотрубок длиной 245 микрон и диаметром 10 нанометров.

Чтобы ты понял, насколько прочна наноткань, вот некоторые цифры: прочность пленки - 175 МПа/(г/см3); прочность полимерных пленок майлар и каптон, использующихся в сверхлегких самолетах, - 160 МПа/(г/см3), а закаленной стали - 125 МПа/(г/см3). Благодаря наноткани запуск коммерческого космического лифта в 2018 году не кажется фантастической затеей.

Другой подход к суперматериалам предлагает фирма U.S. Global Nanospace Inc. Она производит тонкий материал, сотканный из пластиковых волокон, - прочное защитное покрытие для военной техники, позволяющее наполовину уменьшить вес и в 2 раза увеличить прочность, к примеру, брони танков.

Используя давно знакомый принцип комбинирования хорошо работающих технологий, инженеры получают материалы с экстремальными характеристиками. Не секрет, что воздух – плохой проводник тепла. Известно также, что чем больше воздушных прослоек в материале, тем теплоизоляция лучше. Это проверяется просто - достаточно надеть 5 рубашек одну на другую, чтобы почувствовать, что так оно и есть :). Если теперь взять воздух и максимально «компактировать» его в материале, можно получить почти идеальный теплоизолятор.

Это попытались сделать спецы из компании Aspen. Они разработали утеплительный материал на основе полимеров с нанопорами и назвали его Aspen’s Pyrogel AR5401. Благодаря нанопорам, содержащим воздух, материал ведет себя как хороший теплоизолятор.

В марте 2004 года Aspen Aerogels начала производство утепляющих стелек для обуви из разработанного ей материала. Новый утеплитель заказывали: команда, выигравшая в 2004 году марафон к Северному полюсу, канадские лыжники и элитное спецподразделение армии США. Отзывы о продукте были схожи - это универсальное решение для экстремальных условий.

Аэрогель сохраняет тепло лучше, чем все существующие современные аналоги! По сравнению с ними, тепловые характеристики нового материала при одинаковой толщине образцов улучшились в 3-20 раз. В армейской обуви слой стелек из Pyrogel AR5401 составляет 2,5 мм в толщину. Компания-дилер новых стелек в США Hotbeds продает их всего по $19,99 за пару.

Digital life

Другой, довольно логичный способ создания «умных» материалов – внедрение в существующие материалы электроники. Но электроники не обычной, потому что обычная электроника довольно капризна: боится перепада температур, непрозрачна, хрупка. Одно дело – вшить в рубашку или штаны RFID-чип со своим именем, чтобы враги не сперли, а другое – заставить эту рубашку показать видеоклип. Если первое можно было сделать уже вчера, то второе - и сегодня достаточно непросто.

Но все же рубашки-дисплеи и другая «умная» одежда уже существует. Более того, микроэлектроника проникает не только в текстиль и повседневную одежду, но и в обувь - ты, наверняка, слышал про iPod-кроссовки.

И я думаю, что у тебя нет сомнений в том, что в ближайшем будущем мы все будем носить «умную» одежду. Любимые примеры футурологов - такие как платья, изменяющие цвет в зависимости от настроения хозяйки, белье, которое следит за состоянием здоровья, пальто со встроенным прогнозом погоды - кажутся уже не каким-то «прекрасным далеким», а, скорее, будничным завтра.

Одежда давно представляет собой посредника в общении между людьми, теперь же этот посредник может даже активно в нем участвовать. Так, недавно компания France Telecom представила беспроводные дисплеи, которые, если поместить их на рукаве, отображают эмоции хозяина. Компания также разработала ряд гибких дисплеев, которые могут использоваться как записные книжки и будут вшиты в карманы одежды. Дисплеи представляют собой компьютер, который может связываться с персональным компьютером для передачи данных.

В видеопрезентации новой технологии Communicating Clothes молодая женщина смеется, и сердце, нашитое на ее одежду, пульсирует красным цветом. По сравнению с тем, что было представлено компанией в начале третьего тысячелетия, прогресс налицо: LED-дисплеи стали тоньше, легче и поддерживают Bluetooth-технологию. Но главная революционная идея - передача изображения с нашивки на одежде в виде mms на мобильный телефон. Выпуск коммерческого продукта на основе «эмоциональных наклеек» планируется в этом году.

Продукция France Telecom пригодна для того, чтобы носить ее как аксессуар, а исследователь из Массачусетского технологического университета Мэгги Орт пытается сделать предмет одежды (футболку или вечернее платье), полностью состоящий из дисплеев. Ее компания Inteational Fashion Machines производит ткань, которая не содержит никаких дисплеев, а является дисплеем сама. Запатентованная Мэгги «электронная пряжа» представляет собой набор проводящих и непроводящих нитей, покрытых чернилами, изменяющими цвет в зависимости от температуры нитей.

Нагрев нитей, вызванный протеканием по ним электрического тока, заставляет чернила изменять цвет, и нанесенный ранее шаблон (в виде конфигурации нитей) начинает проявляться на ткани. Для нагрева нитей используется низкое напряжение, поэтому такая одежда безопасна. Мэгги утверждает, что через год технологии «электронной пряжи» совместно с технологией «сенсора из ткани» будут использоваться в целом ряде продуктов: от больших экранов, вмонтированных в ковры, до ламп, изменяющих цвет от прикосновения.

Почему Мэгги не предлагает использовать эти технологии в одежде? Для работы «электронной пряже» необходимо столько же электроэнергии, сколько потребляет обычная лампочка накаливания. Поэтому пока одежду из нее можно носить дома, где всегда можно подзарядиться. Однако специалисты утверждают, в составе «электронной пряжи» возможно применение новых электрохромных чернил. Одежда на их основе будет потреблять меньше энергии.

Одна из любимых идей киберкутюрье - создание одежды, предсказывающей погоду. Плащ, оснащенный дисплеем, будет изменять цвет в зависимости от того, какая ожидается погода. И если прогноз неблагоприятен, хозяину стоит сходить домой за зонтом. Узнавать погоду плащ сможет по интернету с помощью беспроводных технологий.

Другое направление - биометрическая одежда. Интегрировав в обычное трико, которым часто пользуются спортсмены, гибкий дисплей, набор сенсоров для детекции вредных веществ, микроскопический топливный элемент, микронасосы и пр., мы получим готовую диагностическую лабораторию, которая будет отображать, например, состояние спортсменов в процессе соревнований. Неудивительно, что такая навороченная майка предназначается пока только для военного применения.

Исследователи из другой группы университета Беркли в США заняты еще одной проблемой одежды нового тысячелетия. Это проблема хранения и передачи данных от одежды к персональным компьютерам ее хозяев. Пока исследователи додумались только до матрицы транзисторов, которые будут составлять ткань одежды. При необходимости эти матрицы смогут организовываться в структуры хранения или передачи данных. Таким образом, одежда будет представлять собой целую компьютерную сеть, которая сможет легко взаимодействовать с локальными сетями и интернетом с помощью беспроводных технологий.

Исследователи использовали новый подход для интеграции транзисторов в ткань. Они изготовили ряд тонких алюминиевых нитей, покрытых специальным материалом, затем совместили несколько слоев хлопка и матрицы нитей, получив ткань, состоящую из миллиона транзисторов. Правда, для массового выпуска такой одежды необходимо разработать дешевый способ ее производства.

Биомассу – в массы!

Если же ты думаешь, что будущее, тесно связанное с электроникой и квантами, - это скучно, то добро пожаловать в мир цифровых организмов! Электронные «умные» материалы пока не могут сравниться с вычислительным потенциалом простой бактерии. Да и это неудивительно, ведь пока проблематично даже смоделировать бактерию, не говоря уже о том, чтобы создать ее искусственно. Но, как ни крути, живые организмы могут пригодиться в различных интерфейсах между человеком и машинами, так как мы с тобой тоже пока состоим из органики.

Уже известно, что связать живое с неживым можно и сделать это довольно несложно. Правда, нужно время, для того чтобы довести технологии био- и нейроинтерфейсы до ума, но это не составляет неразрешимой проблемы.

Ну а пока ученые могут похвастаться живыми дисплеями, пиксели в которых состоят из бактерий!

Электронный дисплей, который показывает портрет девушки, на самом деле составлен из генетически измененных микроорганизмов, культивируемых в тысячах чашек Петри. Бактерии, предстающие живой цифрой, светятся, живут и умирают в процессе его работы.

Новая разновидность бактерий-пикселей появилась как побочный продукт молекулярных биологических исследований: светящиеся зеленым мыши, рыбы, растения и бактерии. Живой дисплей – один из примеров генетической модификации на основе зеленого флуоресцирующего белка (green fluorescence protein — GFP). GFP – это единственный известный белок со свойствами флуоресценции, вызванной частью самого белка. Одним из самых важных направлений использования GFP в молекулярных науках стало его применение в качестве маркера: белок присоединяется к специфическому гену, который должен быть исследован, и действует как молекулярная лампа, подсвечивая нужный ген.

Кроме применения GFP в медицине, у генетиков сложилась «модная научная тенденция», положившая начало созданию в лабораториях по всему миру целого зверинца из существ, которых обыватели считают причудливыми. Это и мыши с зеленой флуоресценцией в гландах, и лягушки, которые могут отложить зеленую икру, и мухи со светящимися полосками на брюхе, и животные с зелеными глазами, частями кожи, ушей или лап.

Дисплей GFPixel является прямым продолжением этих «модных» исследований. Правда, в этом случае мода уступает место целесообразности – ведь дисплей для работы не требует электроэнергии!

Устроен GFPixel достаточно просто: часть бактерий E. coli, находящихся в 2600 контейнерах из плексигласа в пределах портрета, благодаря модификации получила GFP и испускает зеленый свет. При комнатной температуре вся установка GFPixel живет 4-6 недель. В итоге перед тобой дисплей-картина, в которой объединены две интересные вещи: пиксель на основе информационных технологий и живое существо в качестве создающего изображение материала.

Правда, для создания полноценного рабочего дисплея все же потребуется электричество. Но и это не является большой проблемой. Ты ведь знаешь, что существуют животные, которые с ним на «ты»: это электрические скаты и электрические угри. Почему бы и бактериям тоже не «наэлектризоваться»? Так будет проще интегрировать их в обычную электронику, притом обеспечивая возможность контакта с живыми организмами. И как следствие - в будущем могут появиться «умные» живые материалы, которые будут восстанавливать поврежденные ткани или лечить нас от гриппа, предварительно проверив по интернету топ популярных антител против него.

Это станет возможным благодаря недавнему исследованию ученых из Массачусетского технологического университета. Оказалось, что можно модифицировать гены бактерии Geobacter sulfurreducens, чтобы у нее на поверхности образовались электропроводные наросты - фимбрии. Причем на одной бактерии их может находиться до нескольких тысяч. Они состоят из гидрофобного белка и не проводят электричества. Но, спецы университета утверждают, что если Geobacter sulfurreducens выращивать на питательных средах с высоким содержанием оксида железа, то фимбрии станут электропроводными и бактерии можно будет использовать для производства биологических нанопроводников.

Digital Dream

Как видишь, существует много вариантов «умных» материалов. Однако есть еще один радикальный метод, благодаря которому «материальный вопрос» может решиться человечеством раз и навсегда. Причем изменится все не количественно, а качественно. Представь себе кусок вещества, который может по твоему желанию менять свою структуру: захотел – и это стекло, захотел – кусок железа. Или, скажем, тут же кусок превращается в мощный компьютер. Или – в кусок плоти. И это не фантастика или магия. Это закономерное следствие развития материаловедения и физики твердого тела. Теперь человечество может диктовать материи свои условия, и она на эти условия охотно согласится.

Но для того чтобы ты понял, о чем идет речь, нужно вспомнить историю. Ты наверняка слышал легенду о троянском коне. Не о том, как древние греки троянами положили все серверы троянцев :), а о пустотелой модели большого коня, в котором сидели воины, ворвавшиеся ночью в неподготовленную к внутренней атаке Трою.

Примерно так же мы поступим с материей. Как известно, атомы - основные составляющие бытия со своими уникальными квантово-механическими свойствами, поэтому если вместо атомов поставить «наших людей», меняющих свои квантовые свойства по нашему желанию, то получится универсальный пластилин, из которого можно лепить все что угодно.

Теперь подробнее. Основа «троянского пластилина» - квантовая точка. Это электронное устройство, способное захватывать электроны и удерживать их в очень малом пространстве. Электроны при этом ведут себя как отдельные стоячие волны, так же как они ведут себя в атомах. В итоге получается искусственный атом - электронное облако, удерживаемое вышеуказанным образом.

Искусственный атом, в отличие от обыкновенного, не имеет ядра, однако в целом его свойства схожи с обычным атомом. Если из большого количества искусственных атомов произвести любую объемную структуру по типу кристаллической решетки полупроводника, то новый материал будет иметь другие свойства. Например, такой «полупроводник» сможет вести себя и как металл, и как диэлектрик. При этом такие характеристики, как цвет, прозрачность, теплопроводность и магнитные свойства вещества, также смогут изменяться в реальном времени.

Полупроводниковые нанокристаллы на основе квантовых точек - хороший метод захвата электронов, так как химики могут выращивать их, добиваясь высокой точности. Как уже было сказано, электроны, захваченные квантовыми точками, ведут себя так же, как если бы они находились в обычном атоме, даже если в искусственном атоме нет ядра. Типы атомов зависят от набора электронов в квантовой точке. Удивительно, правда? Таким образом, различными наборами электронных ловушек создается искусственная программируемая материя…

Фактически это означает изменение атомного числа искусственного атома. Вот здесь и можно применить термин «программируемая материя», потому что такой процесс легко можно контролировать с помощью современной микроэлектроники, создавая материалы, которых в природе не существует.

Программируемые вещества, использующие свойства квантовых точек, возможны. На сегодняшний день существуют прототипы частиц программируемой материи. И изменение свойств программируемых веществ не виртуальное, а вполне реальное.

Пойдем дальше. Если поместить квантовые точки на поверхность микроскопических волокон и собрать волокна вместе, то мы получим сверхчип (wellstone = quantum well + Si stone), который и будет основой программируемого «пластилина».

Если теперь прозрачный сверхчип из квантовых точек запрограммировать на очень низкий коэффициент рефракции, то его оптические характеристики могут быть подобны характеристикам вакуума или воздуха. То есть материал будет абсолютно невидимым, и, например, самолет, построенный из подобного материала, нельзя будет наблюдать ни глазами, ни с помощью существующих электромагнитных сканеров. И это далеко не единственное применение сверхчипа, так как по желанию его можно перепрограммировать!

Постскриптум

Можно с уверенностью сказать, что ученым удастся получить сверхчип в течение десятилетия.

Если концепция программируемой материи будет реализована, то это ознаменует собой переворот в человеческой цивилизации. Эта технология обеспечит не только гиперкомпьютеры и широкий спектр новых материалов, но и такие устройства, которые мы с тобой пока не можем себе даже вообразить.

Новые материалы будут создаваться за считанные секунды, не надо будет ничего рассчитывать наперед. Отпадут за ненадобностью этапы проектирования и производства прототипов, можно будет просто задать основные свойства материала. В будущем математика и программное обеспечение объединятся в концепции программируемой материи. И знаешь, неважно, что это будет – органика или сверхчипы; и то, и другое – две стороны неукротимого процесса технологизации человеком его среды обитания.

Инженеры из США создали новый тип композиционного материала, сочетающий высокую прочность с гибкостью и эластичностью паутины. Материал создан на основе полимерного эластомера эластана с включением в его структуру наноразмерных кусочков клея. Получившийся нанокомпозит, благодаря клею, стал гораздо эластичнее и прочнее эластана.

Этот наноматериал может найти широкое применение в оборонной, текстильной и биомедицинской промышленности. Возможно применение нового эластомера в составе военной брони для солдатского обмундирования.

Профессору Николасу Котову из медицинского отделения Техасского университета и его коллегам удалось создать первый в мире нейроинтерфейс, связывающий нейроны с пленками, содержащими фотоэлементы. Как говорят исследователи, это позволит в будущем сконструировать искусственную сетчатку глаза.

Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, состоящая из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность получившегося бутерброда биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой.

Эта искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов слепым людям, не говоря уже о высоком разрешении изображения. Напомню, что на сегодняшний день протезы сетчатки в лучшем случае позволяют видеть черно-белое изображение с разрешением 100х100 точек и связаны целой системой проводной поддержки с внешней камерой, крепящейся к дужке специальных очков, которые необходимо носить для работы устройства.

Содержание
ttfb: 13.834953308105 ms