Международная группа учёных совместно с коллегами с Факультета физики твердого тела Токийского университета впервые показала условный транзистор всего из одной молекулы. Он выполнен из фуллерена. С помощью лазерного импульса транзистор направляет электрон из молекулы в ту или иную сторону и делает это до одного миллиона раза быстрее, чем переключатель из кремния. Фуллереновые транзисторы изменят представление о компьютерах, хотя произойдёт это не скоро.

Источник изображений: Yanagisawa

Грубо говоря, фуллерен — это углеродная трубка, только в виде шарика. Способность фуллерена испускать электроны и фотоны в присутствии электрических полей обнаружена более 70 лет назад. Надёжное теоретическое обоснование явлению дали только сейчас. Теоретическую и экспериментальную работу в основном проделали японские учёные. Поставленный опыт полностью совпал с теоретическими выкладками и открыл возможность практического использования явления, а оно очень и очень интересно.

«То, что нам удалось сделать — это управлять тем, как молекула направляет путь входящего электрона, используя очень короткий импульс красного лазерного света, — сказал ведущий автор работы Хирофуми Янагисава (Hirofumi Yanagisawa). — В зависимости от импульса света электрон может либо оставаться на своём стандартном пути, либо перенаправляться предсказуемым образом».

Происходящий в молекуле процесс условно напоминает работу стрелок на железнодорожном пути. Воздействие импульса лазера заставляет электрон отклоняться на другой путь и происходит это от 1000 до 1 млн раз быстрее, чем при переключении кремниевого транзистора. Более того, в зависимости от настройки лазерного импульса переключения могут быть одновременными и множественными. Иначе говоря, одна молекула фуллерена может работать как группа переключателей, хотя физически она будет одной-единственной. Надо ли говорить, что это многократно уменьшит размеры логических схем?

Открытие позволяет увеличить как производительность электроники, так и плотность размещения элементов. Другое дело, что на пути к её практической реализации много преград, включая главную — миниатюризация источников лазерных импульсов.

Исследователи из Техасского университета в Далласе создали нити из углеродных нанотрубок, которые преобразуют механическое движение в электричество более эффективно, чем другие подобные устройства для сбора энергии. Работа стала продолжением изучения «твистронов» (twistron) — скрученных в жгут углеродных нанотрубок, которые учёные представили пять лет назад. Оказалось, что нити лучше скручивать по три, что значительно повышает выход энергии.

Три нанотрубки лучше, чем одна. Источник изображения: The University of Texas at Dallas

Новая работа опубликована в журнале Nature Energy и стала продолжением публикации 2017 года. Раньше группа работала над скрученными в жгут одиночными углеродными нанотрубками, а в новой работе они проследили за характеристиками «пряжи» из трёх скрученных в один жгут нанотрубок.

Электричество в данном случае вырабатывается из механических действий, когда трубка или жгут из трубок растягиваются или раскручиваются. В этом проявляются пьезоэлектрические эффекты, когда механические деформации ведут к появлению разности потенциала и течению тока. Для этого, в частности, в углеродных нанотрубках должен быть электролит внутри или снаружи. Учёные поступили проще — они заполнили нанотрубки твёрдым полимерным составом со свойствами электролита (немногие и не в любом климате захотят ходить в мокрой рубашке или футболке, хотя электролитом может быть пот человека).

Эксперименты показали, что оптимальная для получения электричества пряжа из нанотрубок получается при скручивании трёх нитей. В этом случае при растяжении или раскручивании на боковые стенки соседних нитей оказывается дополнительное (и оптимальное) усилие, повышающее выработку электричества. При растяжении жгут из трёх нитей показал эффективность преобразования механических усилий в электричество на уровне 17,4 %, а при кручении — 22,4 %. Скрученные одиночные нити в обоих случаях показывали эффективность на уровне 7,6 %.

«Эти твистроны [тройные скрученные углеродные нанотрубки] имеют более высокую выходную мощность на вес устройства для сбора энергии в широком диапазоне частот — от 2 Гц до 120 Гц — чем ранее сообщалось для любого механического генератора на основе материалов, не относящихся к твистронам», — сказал один из авторов исследования.

Группа на практике испытала улучшенные твистроны, опробовав добычу электричества из энергии волн (нить удерживала шарик на воде с креплением ко дну аквариума), создала зарядное устройство из твистронов весом 3,2 мг, которое после многократного растягивания зарядило суперконденсатор и питало электронные часы и светодиодный фонарик, а также придумала пластырь для локтевого изгиба руки человека, который вырабатывал электричество. Решение оказалось настолько удачным, что исследователи подали заявку на патент на своё изобретение.