Uplynulý rok přinesl nejmenší paměť, baterii, mapu i auto

Pokroky v nanotechnologiích umožnily sestrojit experimentální přístroje a struktury, které se vymykají lidské představivosti. Třeba počítačovou paměť tvořenou atomovými jádry, laser menší než je vlnová délka záření, které vydává, nebo auto, jemuž by stačila silnice o šířce 50000krát užší než lidský vlas.

Paměť atomových jader

Fyzikové z Utažské univerzity v prosinci v časopise Science představili nejmenší počítačovou paměť světa. Jednotlivé bity digitálně uložené informace nesou jádra atomu fosforu. Digitální nuly a jedničky určuje orientace atomových jader v magnetickém poli. Informace se podařilo udržet po dobu 112 sekund, což je pro praktické využití dostatečně dlouhá doba. Dnes používané dynamické počítačové paměti DRAM totiž uchovávají informaci jen po dobu několika tisícin sekundy a stále ji obnovují. Vědci dokázali přečíst takto uložená data během necelých dvou minut 2000krát, aniž došlo k jejich poškození.

Má to však háček. Paměť pracuje pouze při teplotě -270 °C, tedy těsně nad absolutní nulou (-273 °C). Při takové teplotě se atomy prakticky nepohybují. Zařízení navíc musí být uzavřeno v magnetickém poli, které je asi dvěstětisíckrát silnější než magnetické pole Země. Praktické využití tak alespoň prozatím není možné.

Nejmenší baterie

Snaha lépe pochopit procesy probíhající při nabíjení a vybíjení baterií, nikoli potřeba miniaturizovat baterie ad absurdum, vedla fyziky z Centra pro integrované nanotechnologie (CINT) amerického ministerstva energetiky k vývoji nejmenší lithiové baterie na světě. Její anoda tvořená nanovláknem z oxidu cíničitého (SnO2) dlouhá deset mikrometrů a silná 100 nanometrů (miliontin milimetru) je sedmtisíckrát tenčí než lidský vlas.

Vědci ji pozorovali pomocí transmisního elektronového mikroskopu, což jim umožnilo sledovat nabíjení a vybíjení baterie na atomární úrovni. Dosavadní přístup sledování těchto procesů v makroměřítku byl podle autorů nové baterie jako „pozorování lesa ve snaze pochopit chování jednoho stromu“.

Analýza chování baterie, zveřejněná v prosinci v časopise Science, přinesla překvapivé výsledky. Nanovlákno tvořící anodu se při nabíjení protáhlo téměř na dvojnásobek, zatímco jeho průměr se příliš nezměnil. Znalost této skutečnosti může pomoci zabránit zkratům, které zkracují životnost baterií.

Katoda se při nabíjení baterie prodloužila téměř na dvojnásobek. Fyzikové sledovali celý proces v elektronovém mikroskopu.

Svět na špičce jehly

Trojrozměrnou mapu světa, která by se na jediné zrnko soli vešla ve stovkách kopií, vytvořili fyzikové z výzkumných laboratoří IBM v Curychu. Demonstrují tak novou metodu využitelnou při výrobě mikroelektroniky s rekordní hustotou zápisu.

Mapa je 22 mikrometrů (tisícin milimetru) dlouhá a 11 mikrometrů široká. Tisíc výškových metrů skutečného zemského povrchu odpovídá v modelu osmi nanometrům (miliontinám milimetru). Mapa má rozlišení 500 tisíc pixelů, každý z nich zabírá plochu dvacet nanometrů čtverečních. Stejnou metodou vznikla i replika Matterhornu v měřítku jedna ku pěti miliardám.

Jako nástroj pro tvorbu mapy posloužil miniaturní křemíkový hrot silný jen několik nanometrů. Podobný se používá pro manipulaci s atomy v takzvaném mikroskopu atomárních sil. Je uchycen na pohyblivém raménku a s přesností na jeden nanometr se pohybuje nad povrchem ze speciálního organického materiálu. Jednotlivé molekuly podkladu jsou vzájemně spojeny slabými vodíkovými můstky. Působením tlaku hrotu zahřátého na 330 °C se molekuly od povrchu oddělují. Hrot tak působí jako miniaturní fréza. Mapu vytvořil během pouhých dvou minut a 23 sekund.

Metoda by mohla posloužit při výrobě mikrosoučástek pro počítače a další elektroniku, protože podle takto vytvořené formy lze následně vyrábět křemíkové destičky s požadovanou mikrostrukturou. Detaily metody přinesly v dubnu časopisy Science a Advanced Materials.

Nanoauto

V lednu představené nanoauto připomíná dragster, tedy závodní vůz s mohutnými zadními koly určený pro závody na krátkou vzdálenost. Až na to, že slovo „mohutný" působí v tomto kontextu poněkud nepatřičně. Na „parkovišti" o šířce lidského vlasu by totiž zaparkovalo plných 50 tisíc nanoaut sestavených z jednotlivých atomů.

Není to jen bezúčelná hříčka. Technologie využitá ke konstrukci nanozařízení, které je schopno kontrolovaného pohybu vůči svému okolí, najde využití například v nanoelektronice. Miniaturní vozítko vytvořili vědci z Riceovy univerzity. Informovali o něm v časopise Organic Letters. Podobné nanostroje nejsou úplnou novinkou, první „auto" sestavené z jednotlivých atomů představil stejný tým už v roce 2006. Novinka má však lepší „jízdní vlastnosti".

Původní vozítko mělo všechna čtyři kola sestavena z fullerenů - dutých koulí tvořených šedesáti atomy uhlíku. Bylo schopno pohybovat se pouze po podkladu z atomů zlata při teplotách kolem 200 °C, ovládalo se působením teplotního gradientu nebo elektromagnetického pole.

Nové nanoauto používá fullereny pouze jako zadní kola. Ta přední, sestavená z atomů uhlíku a boru, jsou menší a otáčejí se lehčeji. Vozítko funguje za nižších teplot než předchozí verze a lépe se ovládá.

Absurdní laser

Fyzikům z curyšské technické univerzity ETH se podařilo vyrobit laser se zdánlivě paradoxními vlastnostmi. Je totiž menší než vlnová délka záření, které vydává. Umožnila to náhrada optických prvků elektrosoučástkami.

Laser, představený v dubnu, je dlouhý 30 mikrometrů (tisícin milimetru), vysoký 8 mikrometrů a vydává záření o vlnové délce 200 mikrometrů, tedy v infračervené části spektra.

Běžný laser nemůže být menší než vlnová délka jeho záření, protože tok fotonů se v něm zesiluje během opakovaného putování mezi dvěma zrcadly. To v principu vyžaduje, aby vlnová délka záření byla kratší než vzdálenost mezi těmito zrcadly.

Vědci z ETH však místo optického (zrcadlového) rezonátoru použili elektrický rezonanční obvod, v němž je záření "uvězněno" a zesilováno. Tvoří ho dva polokruhové kondenzátory spojené krátkým vodičem, který plní roli cívky. Aktivní prostředí, které je v laserech (zjednodušeně řečeno) zdrojem fotonů o požadované frekvenci, je v tomto případě umístěno mezi oběma kondenzátory.

Velikost laseru díky tomu není omezena vlnovou délkou záření. Nová technologie by mohla najít uplatnění při výrobě mikročipů. Mikrolaser by mohl sloužit jako optická náhrada tranzistorů.

Čtěte dále

další zprávy