Нашим постоянным читателям, безусловно, известна инициатива IBM, которая называется Smarter Planet. Ее цель – более экономное и разумное использование земных ресурсов.

В недавнем блоге вице-президент IBM по Big Green Innovations Шарон Ньюнес (Sharon Nunes) обращает внимание на некоторые технологии «разумной воды» компании в ответ на уже различимые очертания водяного кризиса, обусловленного ростом популяции и интенсивной урбанизацией планеты. Совместно с партнерами IBM собирает и анализирует данные о состоянии воды в реках, океанах и каналах, получаемые с помощью сенсорных сетей. Эти данные, доступные в режиме реального времени, позволяют принимать более компетентные решения в области управления этим критическим ресурсом.

В продолжение темы на сайте IBM появился третий ролик ее видеосерии «Mad Science», который посвящен управлению водными ресурсами в рамках инициативы «Сделаем планету умнее». Мы приводим его здесь в рамках инициативы relax.

Никто не знает, куда деваются деньги и откуда берутся клопы. Проблемой такого же масштаба является и происхождение пыли. Однако наука раскалывала и не такие орешки.

Ученые из Аризоны сообщили неожиданный ответ на этот вопрос, который ставил в тупик многие поколения мужчин и женщин, боровшихся со слоями пыли на мебели и полу. Оказывается, что большая часть пыли в помещениях появляется извне.

В своем исследовании Дэвид Лэйтон (David Layton) и Палома Бирнер (Paloma Bearner) установили, что домашняя пыль содержит смесь, которая включает чешуйки омертвевшей кожи человека, волокна от носков и мебельной обивки, частички почвы и частички, занесенные воздухом. Они могут включать свинец, мышьяк и другие опасные компоненты, которые попадают вместе с наружным воздухом и почвой.

Ученые проводили свои исследования в домах на Среднем Западе (США). Их компьютерная модель могла отслеживать распределение почвы и воздушных частиц, поступающих в дома извне. Они обнаружили, что более 60% домашней пыли поступает снаружи. По их оценкам, почти 60% мышьяка в домашней пыли может поступать из окружающего воздуха, а остальное – из почвы.

Состав пыли показывает, что к ней не нужно относиться слишком легкомысленно. Особенно она вредна для детей, которые часто берут в рот лежащие на полу игрушки.

В результате исследования была создана компьютерная модель, которая может быть использована для оценок методов снижения уровня загрязнения и его воздействия на людей.

Исследователи из Берлинского центра Гельмгольца (HZB) и французской исследовательской организации CNRS использовали электрические поля для управления ориентацией спинов электронов для постоянного хранения данных. Принцип может не только улучшить оперативную память компьютеров, но и обещает революционизировать следующее поколение электронных устройств.

Новый вид памяти использует явление известное как туннельная магниторезистивность (TMR). Два тонких слоя магнитного материала разделяются друг от друга изолятором толщиной всего 1 нм. С некоторой вероятностью электроны могут преодолевать этот барьер благодаря так называемому туннельному эффекту.

Если большинство спинов в обоих магнитных слоях ориентировано одинаково, то вероятность преодоления электронами барьера повышается. Эта особенность используется для построения памяти, способной быстро перезаписывать данные, во многом подобной обычной, а также постоянно хранить их.

Память, использующая эффект TMR, известная также как Magnetoresistive RAM, до настоящего времени требовала для записи данных сильных магнитных полей и, как следствие, много энергии. Однако исследователи из CNRS показали, что это требование может быть изменено, если использовать изолятор из титаната бария.

Ученые смогли использовать электрическое поле, чтобы переключать изолятор в состояние, которое оказывает влияние на магнитные слои по обеим его сторонам, управляя таким образом процессом туннелирования. Поскольку изолятор сохраняет свое состояние и в отсутствие токов, эта особенность может быть использована для построения компьютерной памяти с малым потреблением энергии.

Исследователи из IMEC (Interuniversity MicroElectronic Center (г. Лёве, Бельгия) и департамент информационных технологий при Гентском университете опубликовали статью об оптической памяти с произвольным доступом, интегрированной с кремниевым чипом, с рекордно низким энергопотреблением.

Результат прокладывает путь к оптической коммутации пакетов, которая не нуждается в оптоэлектронном преобразовании для хранения и поэтому может снизить общее энергопотребление в оптических телекоммуникационных системах.

Оптическая память с произвольным доступом сделана из лазеров на фосфиде индия в форме дисков диаметром 7,5 мкм. Свет лазера может распространяться либо по часовой, либо против часовой стрелки и может переключаться между этими режимами с помощью короткого оптического импульса.

Мембраны из фосфата индия интегрируются с пассивными кремниевыми волноводными цепями, что позволяет разным ячейкам памяти оптически подключаться с помощью кремниевых проволок. Технология допускает использование кремниевой микроэлектронной техники, делая разработку недорогой.

Группа исследователей из Королевского университета в Белфасте (Соединенное Королевство) продемонстрировала некоторые из первых коммерчески доступных плазмонных устройств, продвинувшись на пути высокоскоростных коммуникаций и вычислений, в которых электрические и оптические сигналы могут управляться одновременно.

Новаторские устройства, которые, как ожидается, найдут коммерческое применение в следующем десятилетии, используют колебания электронной плазмы, чтобы передавать оптические и электрические сигналы по одним и тем же металлическим цепям посредством волн поверхностных плазмонных поляритонов – составных квазичастиц, возникающих при взаимодействии фотонов и элементарных возбуждений среды (к примеру, фононов, экситонов, плазмонов).

Плазмоника, которую часто называют «свет по проводу», объединяет преимущества волоконной оптики, включая сверхвысокую скорость передачи данных, и электрических компонентов, в частности, малый размер. Технология является перспективной для создания полностью оптических компьютерных чипов, быстрых коммуникаций и широкого спектра датчиков.

«Достижения последних пяти лет позволяли построить оптический компьютерный чип, но со всеми оптическими компонентами он имел бы размеры примерно 50 см х 50 см и потреблял бы большую энергию. С использованием плазмоники эти цепи можно сделать достаточно малыми, чтобы установить в обычный ПК, и в то же время получить оптические скорости», - сказал Анатолий Заяц, исследователь из Королевского университета.

До недавних пор использование плазмоники тормозилось короткими расстояниями, на которые плазмоны могли передавать данные, - проблема, которую смогли решить исследователи в рамках европейского проекта Plasmocom.

Передача данных посредством плазмонов основывается на колебаниях плотности электронов на границе двух сред: диэлектрика и металла. Возбуждение электронов светом порождает распространение высокочастотных волн плазмонов вдоль металлической проволоки или волновода, передавая таким образом данные. Однако во многих случаях сигнал затухает на расстоянии нескольких микрон – слишком малом, чтобы соединить два компьютерных чипа.

Команда применила новый подход, который был назван волновод с диэлектрическими вставками поверхностных плазмонных поляритонов. Компонуя слой некоторого полимерного диэлектрика на пленку золота, нанесенную на стеклянную подложку, они смогли достичь передачи сигнала по волноводу длиной 500 нм.

Используя данный подход, исследователи построили различные плазмонные устройства, включающие S-образные и вилкообразные волноводы, кольцевые резонаторы – основные компоненты мультиплексоров ввода-вывода в оптических сетях.

В то время как современные коммерческие оптические кольцевые резонаторы имеют радиус вплоть до 300 мкм, представленные плазмонные модели имеют размер 5 мкм.

Важно, что предлагаемые Plasmocom технологии позволяют создавать плазмонные устройства на базе существующей коммерческой литографии.

Французские ученые из CNRS и CEA создали органический транзистор, базирующийся на пентацене и наночастицах золота и известном как NOMFET (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor). Устройство открывает путь к новому поколению компьютеров, способных реагировать подобно нервной системе.

В разработке новой стратегии обработки информации один из подходов состоит в имитации работы биологических систем с целью получить электрические цепи с новыми свойствами. В нервной системе синапсы являются точкой связи между двумя нейронами, через которую передаются электрические сообщения от одного нейрона к другому и воспринимающей сообщение как функцию природы входящего сигнала (пластичность). Например, если синапс получает пакет входных импульсов с малыми интервалами, он будет передавать более высокий биоэлектрический потенциал, чем при получении пакета импульсов, разделенных более длинными интервалами.

Это свойство пластичности ученые успешно имитировали с помощью NOMFET. Инновация NOMFET состоит в оригинальной комбинации органического транзистора и наночастиц золота. Эти инкапсулированные наночастицы, зафиксированные в каналах транзистора и покрытые пентаценом, обладают памятью, что позволяет им имитировать работу синапса во время передачи биопотенциала между двумя нейронами. Это свойство позволяет электронной компоненте делать оценку в зависимости от системы, в которую она помещена. Ее производительность сравнима по крайней мере с семью КМОП-транзисторами, которые были необходимы до настоящего времени для имитации пластичности.

Построенные с использованием этой технологии нейроподобные компьютеры могут выполнять ряд функций, сравнимых с таковыми человеческого мозга.

Математики из Мичиганского универсистета и их британские коллеги сообщают, что они идентифицировали сигнал, который мозг посылает организму для управления биологическими ритмами. Их открытие опрокидывает существовавшую длительное время теорию о наших внутренних часах.

Понимание того, как работают в человеке биологические часы, является существенным для решения проблем, связанных со сном, таких как бессонница и нарушения суточного ритма организма в связи с перелетом. Новое понимание нашего центрального водителя ритма может в один прекрасный день помочь трактовке болезней, связанных с внутренними часами, включая рак, болезнь Альцгеймера и душевные расстройства.

«Понимание процесса поможет нам научиться регулировать его, для того чтобы помочь людям, - сказал адъюнкт-профессор математики Дэниел Форгер (Daniel Forger) из Мичиганского университета. – Мы взломали код, и информация может иметь огромное влияние на все виды болезней, связанных с нарушением биоритмов».

Главный хронометр человека располагается в центральной области мозга, называемой надхиазмические ядра. В течение десятилетий исследователи полагали, что он определяет ритм, с которым клетки генерируют электрические импульсы внутренних часов, - быстрый в течение дня и медленный ночью. Тело слышит «тики» и регулирует свои дневные ритмы, известные также как циркадные. Таковы были взгляды на это явление в течение двух десятилетий. Но новые данные, полученные проф. Форгером и его коллегами, показали, что «старая модель ошибочна».

Истинный механизм сигнализации совсем другой. Метки времени, посылаемые из надхиазмического ядра, кодируются в сложную картину возбуждения, которая ранее не была выявлена.

Чтобы проверить предсказания математической модели, британские ученые сняли данные картины возбуждения клеток упомянутой выше области более чем с 400 мышей. Затем они ввели экспериментальные результаты в модель и обнаружили, что они практически точно совпадают с предсказаниями модели.

Хотя эксперименты проводились на мышах, проф. Форгер сказал, что, вероятнее всего, подобный механизм работает и у людей, поскольку системы биоритмов подобны у всех млекопитающих.

Надхиазмические ядра содержат как клетки «часов» (которые определяются геном per1), так и обычные клетки. В течение многих лет исследователи циркадных ритмов записывали электрические сигналы от совокупности этих двух типов клеток. Это давало неправильную картину работы внутренних часов.

Но британским коллегам Форгера удалось отделить «часовые» клетки от «нечасовых», установив соответствующее начало отсчета (нулевой уровень сигнала). Затем они записали электрические сигналы только «часовых» клеток. Картина укрепила новую теорию.

Исследователи обнаружили, что в течение дня клетки с геном per1 поддерживали электрически активное состояние, но не возбуждались. Они возбуждались на короткий период с приходом сумерек, затем оставались спокойными в течение ночи, испытывая другое возбуждение перед рассветом. Эта картина возбуждения является сигналом, или кодом, который мозг посылает остальному телу, так что оно может поддерживать ритм.

«Согласно старой теории «часовые» клетки возбуждаются быстро в течение дня, но медленно в течение ночи. Но теперь мы показали, что клетки, которые действительно содержат часовой механизм, являются спокойными в течение дня», - сказал аспирант Кейзи Дикман (Casey Diekman). 

Открытие также поднимает важный вопрос, работает ли мозг как аналоговая или как цифровая машина.

Голландские физики подтвердили, что графит является постоянным магнитом при комнатной температуре, и впервые объяснили происхождение ферромагнетизма в графите. Их исследования могут оказаться важными в различных нанотехнологических и технических приложениях, таких как биодатчики, детекторы и спинтроника.

Графит состоит из слоев углерода (графена). Хотя ферромагнетизм в графите наблюдался и раньше, его происхождение было непонятно. Ученые полагали, что это может быть следствием малых примесей, содержащих железо, а не свойств самого углерода.

Теперь Кеес Флипсе (Kees Flipse) с коллегами из Эйдховенского университета технологии и Университета Радбуд (Radboud University) из Наймейгена показали, что магнетизм обусловлен дефектами, лежащими между слоями углерода. Они определили это с помощью магнитного силового микроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, измерив магнитные и электрические свойства материала с разрешением 1 нм.

Магнитный микроскоп сканировал поверхность очень острым зондом и измерял магнитное поле между образцом и зондом. Это позволило обнаружить ферромагнетизм в дефектах на поверхности графита. Для измерений внутри образца использовался сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (SQUID) – наиболее чувствительный на сегодня.

Графит состоит из хорошо упорядоченных областей атомов углерода, разделенных слоем дефектов шириной 2 нм. Исследователи обнаружили, что электроны в дефектах ведут себя иначе, чем в упорядоченных областях, а именно, подобно электронам в ферромагнетиках. Они также обнаружили, что регионы границ зерна в индивидуальных листах углерода имеют магнитную связь, образуя 2D-сети. Именно этой связью объясняются ферромагнитные свойства графита.

«Чистый, беспримесный кристалл графита не обладает свойствами постоянного магнита, но ситуация меняется, когда создаются дефекты в материале, - объясняет Флипсе. – Единичные дефекты в решетке графита ведут себя как магнитные диполи, подобно ферромагнетикам».

Кроме научного, магнитный графит может представлять интерес для техники и нанотехнологий. Например, он может быть использован в биодатчиках, поскольку углерод является биосовместимым. Он мог бы также проложить путь к спинтронике на основе углерода.

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) достигли успеха в создании быстрых интегральных схем на экситонах, работающих при коммерчески низких температурах, приблизив возможность построения сверхбыстрых компьютеров.

Напомним, что экситон – это квазичастица, порожденная электронными возбуждениями в полупроводнике или диэлектрике и представляющая связанное состояние электрона проводимости и дырки. Движение экситона по кристаллу не связано с переносом заряда или массы. Экситон может быть создан в полупроводниках, например в арсениде галлия, при помощи света, и при рекомбинации он превращается в фотоны.

Тот факт, что экситоны могут быть превращены в свет, делает экситонные устройства более быстрыми и эффективными, чем обычные электронные устройства с оптическими интерфейсами.

«Наши транзисторы обрабатывают сигналы, используя экситоны, которые подобно электронам могут управляться электрическим полем, но в отличие от электронов трансформируются в фотоны на выходе цепи, - говорит Леонид Бутов, который руководит исследованиями в UCSD. – Эта прямая связь экситонов и фотонов позволяет объединить вычисления и коммуникации».

Эта заметка попалась мне на глаза позже, чем о молекулярном транзисторе, хотя хронологически была напечатана раньше. Однако она не становится от этого менее интересной.

Проф. Н. Дж. Тао (N. J. Tao) с сотрудниками из Института биоразработок при Аризонском университете нашли способ построения одномолекулярного диода. Для выполнения этих функций молекула должна быть физически асимметричной – один ее конец должен быть способным образовывать ковалентную связь с положительно заряженным анодом, а другой – с отрицательным катодом. Если молекула симметрична, то ток может протекать в двух направлениях.

Большинство попыток до недавнего времени использовали несколько молекул. Одна из трудностей работы с одной молекулой заключается в том, чтобы подключить молекулу к двум электродам. Другая – правильно ориентировать ее между ними.

Команда использовала в изысканиях связанные молекулы, в которых чередовались атомы с одной и несколькими связями. Такие молекулы демонстрируют большую электропроводность и имеют асимметричные концы, способные случайно образовывать ковалентные связи с металлическими электродами, создавая замкнутую цепь.