Жидкий металл упростил получение нанопленок
Ученые из Королевского мельбурнского технологического института разработали технологию создания нанопленок металлических оксидов с помощью жидкого металла. Новый метод позволяет делать это гораздо проще чем раньше, а полученные пленки можно использовать в качестве компонентов полупроводниковых устройств. Статья опубликована в журнале Science.
Тонкие пленки из разных материалов, часто полупроводниковых, могут отличаться по свойствам от такого же материала в другой форме, поэтому их используют в качестве основы электронных устройств. Для получения таких пленок разработано множество методов, но почти все они требуют применения сложных лабораторных установок.
Австралийские исследователи разработали относительно простой метод получения таких пленок, который может позволить ученым в лаборатории довольно быстро создавать нужные им материалы без нужды в специализированном оборудовании. Их методика основана на использовании сплава галинстан, который состоит из галлия, индия и олова. Его особенность заключается в низкой температуре плавления, благодаря которой он находится в жидкой форме даже при комнатной температуре.
Поверхность капли из галинстана контактирует с окружающим воздухом, из-за чего на ней образуется оксидная пленка. Поскольку величина изменения энергии Гиббса при реакции с кислородом отличается для разных компонентов сплава, на большей части поверхности будет образовываться не смесь из оксидов, а такой оксид, образование которого приводит к максимальному снижению свободной энергии Гиббса, то есть наиболее выгодно с термодинамической точки зрения.
Именно эту особенность ученые решили использовать для создания нужных им пленок. Они решили растворять в жидком сплаве небольшой объем гафния, алюминия и гадолиния, образование оксидов которых более выгодно, чем образование оксидов компонентов галинстана. Для того, чтобы отделить пленку от капли сплава, ученые предложили два способа. Поскольку сила взаимодействия между сплавом и оксидом невелика, пленку можно отделить просто прислонив гладкую подложку, после чего пленка притянется к ней за счет сил Ван-дер-Ваальса.
Также они попробовали пропускать воздух под давлением через сплав, в результате чего в нем образовывалась суспензия из небольших пленок. С помощью первого метода исследователи смогли получить оксидные пленки толщиной от 0,5 до 2,8 нанометра. Ученые отмечают, что потенциально метод можно применять и с другими газами, в результате чего будут получаться не оксиды, а другие вещества.
Недавно японские ученые также разработали относительно простой способ получения нанопленок. Они предложили помещать на вращающийся круг суспензию с небольшими пленками, которые за счет вращения образуют единую пленку, причем процесс занимает всего минуту.
Григорий Копиев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.