Ученые превратили алмаз в практически идеальный полупроводник для силовой электроники


Группа исследователей из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) разработала новый способ легирования монокристаллических алмазов, введения в материал атомов примесей, в данном случае атомов бора. Новый процесс легирования производится при относительно низкой температуре, благодаря чему кристаллы алмаза не подвергаются разрушению и деградации.

У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать их идеальными полупроводниками для производства мощной силовой электроники. Алмазы могут использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла позволит кристаллу проводить сильный электрический ток. Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами. Несмотря на столь интересные характеристики, практическое использование алмазов в качестве полупроводников затрудняется тем, что из-за прочности структуры этого материала очень тяжело правильно вводить в кристалл атомы легирующих добавок.

В ходе экспериментов ученые выяснили, что если физически соединить монокристаллический алмаз с кремнием, предварительно легированным атомами бора, и нагреть все это до 800 градусов Цельсия, атомы бора под воздействием тепловых колебаний мигрируют из кремния внутрь алмаза. Процесс происходит при относительно низкой для таких процессов температуре и это обусловлено некоторыми особенностями строения легированного кремния. В структуре такого кремния присутствуют вакансии, места в кристаллической решетке с отсутствующими там атомами. Под влиянием тепловых колебаний атомы углерода из алмаза заполняют эти вакансии, оставляя пустое место в структуре алмаза, которое заполняется атомом бора.

Такая технология получила название избирательного легирования и она позволяет получить высокую степень контроля над производимым процессом. При помощи такого метода достаточно просто легировать определенные места монокристаллического алмаза, для этого требуется лишь наложить кремний на необходимые места и нагреть это до указанной выше температуры.

Пока новый метод работает в отношении легирования P-типа, при котором атомы примесей создают носители положительного электрического заряда, так называемые электронные дырки, места в кристаллической решетке с одним отсутствующим электроном. И, используя полученные алмазные полупроводники p-типа, исследователи уже изготовили первые образцы простейших электронных приборов, таких, как диод.

Но, для того, чтобы создать более сложные электронные приборы, такие, как транзистор, требуется легирование N-типа, легирование примесью, атомы которой создают носители отрицательного электрического заряда, лишние электроны в кристаллической решетке. Пока у ученых нет технологии такого легирования, но, вполне вероятно, что результаты данных исследований вдохновят других исследователей и кому-нибудь из них все же удастся найти подходящее решение. И если это произойдет, то на свет появятся новые полупроводниковые приборы, которые с высокой эффективностью будут использоваться для управления электрическим током большой мощности, к примеру, в энергетических сетях.

Источник

Создана "вечная" батарея, действующая по принципу песочных часов


В конструкции батарей, основанных на принципах перетекания жидкого электролита из одного резервуара в другой (liquid flow battery), обычно используются клапана и насосы, обеспечивающие движение электролита. Этот электролит, или электролиты двух разных типов, разделенные ионной мембраной, движутся сквозь камеру с электродами, на которых и создается электрический потенциал. К недостаткам таких батарей можно отнести сложность их конструкции, но они обладают одним неоспоримым достоинством, после того, как весь электролит перетек из одной емкости в другую, для их повторного использования необходимо направить поток жидкости в обратном направлении. Используя подобный принцип, исследователи из Массачусетского технологического института создали "вечную" батарею, электролит в которой течет только под воздействием силы тяжести. А для того, чтобы "перезарядить" батарею, требуется только перевернуть ее подобно песочным часам.

В опытном образце батареи жидкий электролит заполняет только одну сторону батареи, вторая заполнена металлическим литием. Исследователи сообщили, что такой гибридный вариант является промежуточным вариантом, предназначенным для проверки работоспособности их идеи. А в самом ближайшем времени они собираются изготовить новый опытный образец, внутри которого будет находиться только жидкий электролит. Тем не менее, и у такой гибридной батареи имеется будущее, ведь такой подход позволит создавать высокоэффективные источники и устройства аккумулирования энергии, которые возьмут самые лучшие черты твердотельных батарей и батарей с жидким электролитом.

Кажущаяся простота конструкции новой батареи весьма обманчива. Для ее создания ученым пришлось глубоко вникнуть в тонкости движения потоков жидкости, найти оптимальный состав жидкого электролита и разработать конструкцию самой батареи. Но все потраченные усилия стоили результата, ведь получившийся источник электрической энергии является простым и менее дорогостоящим, нежели другие подобные решения.

Конструкция новой батареи является масштабируемой, на ее базе можно будет создавать сколь угодно большие модульные системы, которые будут выступать в качестве буфера между непостоянными источниками энергии, такими, как Солнце и ветер, и конечными потребителями. "Нам удалось построить мост между двумя совершенно различными областями, между динамикой движения жидкостей и электрохимией" - пишут исследователи, - "На оборудование для перекачки жидкостей приходится основная доля стоимости жидких батарей. И наша технология позволяет полностью от этого избавиться".

Источник

Ученые закодировали 100 байт информации в геноме бактерий E.Coli при помощи технологии CRISPR


Группа ученых из Гарвадского университета разработала метод, позволяющий при помощи технологии редактирования генома CRISPR/Cas производить запись двоичных данных, содержащих информацию об определенных событиях, произошедших внутри живой клетки. До последнего времени самый большой объем информации, которую удавалось "записать" в недра живой клетки, составлял всего 11 бит, меньше, чем требуется для кодирования двух символов в обычном компьютере. Гарвардские ученые сообщают, что записанные ими в геном бактерий 100 байт информации являются далеко не пределом, ведь в клетки простейших микроорганизмов, к примеру Sulfolobus tokodaii, можно записать более 3000 байт информации. Более того, специально выращенные синтетические бактерии, имеющие очень длинный генетический код, могут иметь информационный объем, сопоставимый с объемом современных жестких дисков.

Технология CRISPR/Cas работает, вырезая короткие участки ДНК из генома-донора, в качестве которого использовался геном одного из инфекционных вирусов. Эти участки вставляются в геном микроорганизма в определенных местах. Этот механизм, в котором также используются функции РНК, весьма напоминает механизм естественной защиты, который внедряет в геном живых клеток участки вирусного генома для того, чтобы обмануть настоящие вирусы, атакующие клетки.

Информация кодируется как раз в виде участков вирусной ДНК, так называемых олигомеров. При этом, новые вирусные участки внедряются в генетический код, замещая собой старые вирусные участки, это позволяет всему геному микроорганизма в целом сохранить свою работоспособность.

Для записи информации ученые использовали штамм бактерий E.Coli, ДНК которых уже содержало цепочки белковых последовательностей под названием Cas. Введенные в бактерию ферменты Cas1 и Cas2 обеспечили то, что соответствующие места в генетическом коде были замещены искусственными вирусными олигомерами строго в последовательности, с которой они вводились внутрь клетки.

Процесс чтения записанной информации заключается в проведении обратной процедуры, которая последовательно вырезает из ДНК участки синтетического кода. "По существу, считывая информацию, мы производим измерения изменений концентрации определенных нуклеиновых кислот" - пишут ученые, - "Более идеальным вариантом являлось бы использование промежуточных молекул РНК, и к этому мы, может быть, придем в недалеком будущем".

Одним из возможных областей применения разработанной ими технологии ученые считают создание бактерий, которые будут собирать информацию об условиях и о других микроорганизмах, существующих внутри некоторых органов, к примеру, в кишечнике человека. "Такие бактерии могут убить другие бактерии и микроорганизмы, оказавшиеся в непосредственной близости от них. Выпустив определенные ферменты, они могут расщепить ДНК умерщвленных микроорганизмов и сохранить некоторые из участков в собственном геноме, который позже можно будет извлечь и считать записанную в него информацию" - рассказывают ученые, - "Эта идея кажется безумной, но на свете есть бактерии, которые делают нечто подобное естественным путем"

Источник

Создано устройство, превращающее в электричество одновременно энергию ветра и энергию солнечных лучей


Устройство, которое может преобразовывать в электрическую энергию одновременно энергию солнечных лучей и энергию ветра, может стать источником энергоснабжения "умных городов" будущего, которые при помощи компьютеров и электроники сами контролируют и управляют собственной инфраструктурой, предоставляемыми населению услугами и т.п. В идеальном варианте все это должно приводиться в действие энергией, черпаемой из экологически чистых возобновляемых источников, таких, как Солнце и ветер. Солнечная энергия может быть получена при помощи крыш, стен и даже окон зданий, которые за счет специального покрытия выступают в роли солнечных батарей. Однако в городской среде большое количество энергии ветра "проходит мимо", ведь традиционные ветряные генераторы не очень хорошо подходят для их использования в условиях средних и больших городов.

Ученые из Пекинского института наносистем и наноэнергетики (Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems), совместно с учеными из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) разработали плоское устройство, которое способно превращать в электричество энергию Солнца и ветра одновременно. Роль ротора традиционного электрического генератора играет элемент, основанный на трибоэлектрическом эффекте, эффекте, стоящим за появлением обычного статического электричества. Этот эффект заключается в том, что когда два разных материала многократно касаются и отдаляются друг от друга, один из материалов "крадет" электроны у другого, что приводит к появлению электростатического заряда и разности потенциалов.


В созданном учеными устройстве трибоэлектрический нано-генератор совмещен с традиционными кремниевыми солнечными батареями. Генератор состоит из слоев пластика и фторопласта (тефлона), разделенных тонким воздушным промежутком. Когда ветер ударяет по поверхности этого устройства, пластмассовая пленка колеблется, касаясь поверхности тефлона и вырабатывая электричество.

Прототип гибридного энергетического устройства имеет длину 120 миллиметров и ширину - 22 миллиметра, другими словами, оно размером с шоколадный батончик. Стройными рядами или слоями таких устройств, толщина которых составляет всего 4 миллиметра, можно покрывать крыши, стены зданий, офисных и производственных помещений.

Экспериментальный генератор смог выработать 8 мВт мощности из солнечной энергии и 26 мВт из энергии ветра. В принципе, такой мощности достаточно для того, чтобы зарядить средненький литий-ионный аккумулятор от напряжения 0.2 В до 2.1 В всего за 10 минут. Более того, этих милливатт мощности достаточно для обеспечения работы миниатюрных датчиков температуры, влажности и других датчиков, которые могут входить в состав системы "умного дома".

В своей дальнейшей работе исследователи планируют модернизировать гибридный генератор так, чтобы он при работе выдавал постоянное напряжение в 5 Вольт и с переменной силой выходящего тока. Такое достаточно высокое напряжение уже без особых затруднений можно использовать напрямую или преобразовывать в другие формы электрического тока.

Источник