Бумага, генерирующая ток

Красные бактерии на бумажных волокнах. Иллюстрация Physorg

Журнал New Scientist рассказал о создании биоинженерами Университета штата Нью-Йорк в городе Бингхэмптоне биоразлагаемой бумажной батареи. (Заметим, что традиционные электрохимические источники питания зачастую содержат токсические металлы.) Инженеры добавили к обычной бумаге два полимера – полиаминокислотный и фенилендиаминовый, которые и придают бумаге свойство быстрого разложения в воде. При этом электрическую емкость батарей можно увеличить за счет изгибания листов или образования из них стопок. Ученые подчеркивают, что процесс изготовления бумажных батарей с микробами весьма прост и подвержен быстрой модификации в зависимости от требуемой конфигурации.

Соответствующий доклад на встрече Американского химического общества (ACS) назывался «Объединение электронных бактерий и бумаги». В нем авторы обращали внимание на то, что бумага уникальна для изготовления биосенсоров, так как имеет большую поверхность. Но сенсоры требуют для своей работы энергии, и лучшим решением является использование ее биоисточников в виде тончайшего слоя металла, нанесенного на бумагу с лиофилизированными (высушенными при низкой температуре) «электрогенами». Последние представлены микробами, производящими энергоемкие электроны «для себя», которые затем проходят сквозь клеточную оболочку. Остается только подсоединить электроды, и батарея готова.

Уже через две минуты вода или слюна «оживляет» микроорганизмы, которые дают достаточно энергии для питания светодиода и даже калькулятора. Дешевые батареи из бумаги, естественно, одноразовые, хотя и работоспособны в течение четырех месяцев, поэтому авторы работают над удлинением их срока годности. Необходимо также увеличить емкость батарей как минимум в 1000 раз, чтобы они стали пригодны для практического использования. Но все это вполне достижимо.

Для характеристики электронов помимо электрического заряда существует еще один квантовый параметр – спин, то есть вращение вокруг собственной оси. Этот эффект обещает создание квантового компьютера на основе спинтроники, преимущество которой в использовании не только 0 и 1, а самых разных угловых отклонений спина.

Немецкие специалисты из Технологического института в Карлсруэ предложили моноатомный транзистор (SAT – Single-Aton Transistor), описанный в журнале Advanced Materials. Авторы напоминают, что транзисторы представляют собой переключатели, число которых на поверхности нынешних кремниевых чипов измеряется миллиардами. Но даже такая плотность уже не удовлетворяет исследователей, тем более что мощные транзисторы производят непомерно много тепла. К тому же квантовые аналоги такого рода переключателей будут потреблять в 10 тыс.  раз меньше энергии, что позволит избавить ноутбуки от вентилятора и сделать их толщиной с бумажный лист.

В Карлсруэ разместили два электрода на ничтожно малом расстоянии друг от друга, в котором может находиться только один атом серебра, замыкающий цепь. Смещение серебра размыкает цепь, что делает конструкцию, функционирующую при комнатной температуре,  одноатомным переключателем (транзистором). Немецкие электронщики подчеркивают, что SAT основан на принципиально новой основе, и их технический подход обеспечивает надежность работы. Ведь использованы только металлы, а не полупроводники. Благодаря этому энергии потребляется ничтожно малое количество.

В Техническом университете Вены еще в 2015 году был предложен более сложный одноатомный транзистор в виде атома молибдена (Мо), включенного в центр органической молекулы (бис-диетилфосфино-этана), растянутой между двумя остроконечными электродами из золота. Повышение напряжения приводило к генерации спин-поляризованного состояния, которое уникально для расположенного в центре атома молибдена. Спиновое состояние и величина заряда позволяли манипулировать электрическим полем молекулярных соединений.

Вполне возможно, что работа австрийских коллег 2015 года и подтолкнула изобретательскую мысль в Карлсруэ. В результате был создан действительно одноатомный транзистор, обещающий реальный прогресс в миниатюризации самых разных типов устройств.