ВходРегистрация
*— обязательные для заполнения поля
Войти через социальные сети
IT и природа: новые материалы - новые возможности

IT и природа: новые материалы - новые возможности

IT и природа: новые материалы - новые возможности

Бионика, появившаяся как наука в середине прошлого века, может быть с полным правом отнесена к самым интересным, хотя и не очень понятным широкой публике научным отраслям. В самом деле, даже в такой, казалось бы, далекой от животного мира сфере, как IT, людям есть чему поучиться у матери-природы. Но, оказывается, и современные технологии могут помогать в изучении, скажем, коммуникативных особенностей животных. В августе нынешнего года международная команда исследователей, в которую входили французские, швейцарские, американские и голландские биологи и IT-специалисты, опубликовала в журнале «Nature Communications» любопытную статью об изучении эволюции… стука дятлов. Объектом исследования стал используемый для общения стук 92 видов дятлов,  и ученые Цюрихского университета и Университета Жана Моне впервые применили для расшифровки «спрятанной» в сигналах птиц информации так называемые «постулаты Шеннона», - теорию связи, описанную еще 1949 году математиком Клодом Шенноном в работе «Математическая теория связи», и ранее использовавшуюся только применительно к телекоммуникациям.

Что сказал дятел?

Собрав огромное количество аудиозаписей стука 92 видов дятлов, исследователи объединили акустический анализ этих звуков с теоретическими расчетами математиков, эволюционными реконструкциями и результатами исследований экологических сообществ. Выяснились поразительные вещи: дятлы способны развивать свой «язык» и изобретать новые способы коммуникаций. Как у них это получается, остается загадкой, но, по мнению цюрихских ученых, даже при появлении новых типов стуков в процессе эволюции дятлов и при изменении структуры этих сигналов, объем информации оставался примерно одинаковым в течение всей эволюции этих птиц, - а это ни много, ни мало 22 миллиона лет! То есть, дятел, стучащий по дереву сегодня, прекрасно понял бы дятла, стучавшего по дереву 22 миллиона лет назад!

Специалистов по теории связи особенно заинтересовало то, что случайные и непредсказуемые изменения в структуре звуков с течением времени могут произойти и при сохранении общей информативности сигналов. Для непосвященного уха это звучит как абракадабра, но, скажем, специалисты, работающие над созданием высокоразвитого и способного к самообучению искусственного интеллекта, уже знают, как это можно использовать в их работе.

- Принципы построения столь информативной «речи» вполне могут использоваться при «обучении» пока не появившегося искусственного интеллекта, представляющего собой некий гибрид суперкомпьютера и биологического организма, - считает британский биолог Дэвид Шембрук. – Сегодня для многих это «чистая фантастика» и «неосуществимая идея», но вспомним, что еще совсем недавно многие не верили в возможность клонирование живых организмов, а сегодня ученые научились делать это, и клонирование человека «тормозят» разве только запреты этического и религиозного характера. Уверен, человек сможет создать сверхмощный компьютер, объединяющий в себе органику и неорганику, и это уже дело очень недалекого будущего.

Этот хитрый спин

Разумеется, исследователи не только «оглядываются» на мать-природу, копируя ее изобретения. Ученые уже давно создают не встречающиеся в природе композиционные материалы, используемые, в том числе, и в IT-сфере. Например, еще четырнадцать лет назад, в октябре 2006 года, в журнале «Applied Physics Letters» появилась статья группы американских ученых из  Национального института стандартов и технологий (NIST), где говорилось о создании первого в мире «спинтронного» устройства с органическими молекулами, способного положить начало целому классу приборов, в которых используются магнитные свойства отдельных электронов.

Речь идет о спинтронном устройстве с пористой структурой поверхности, благодаря которой удается стабилизировать молекулярный слой и ограничить площадь его контакта с поверхностью. Поясним: в отличие от традиционных электронных приборов, использующих перемещение электронов и их зарядов, спинтроника имеет дело с эффектами магнитной ориентации, обусловленными наличием у электрона собственного магнитного момента. Но, хотя спин представляют как вращение электрона вокруг собственной оси, приводящее к возникновению собственного магнитного момента у электрона, спин – это, прежде всего, квантовая характеристика, и ее никак нельзя объяснить в рамках классической физики.

До сих пор не совсем понятно, как американские ученые смогли найти хитрый способ формирования в кристаллической кремниевой пластине мельчайших пор диаметром не более 40 нанометров, и сконструировать на поверхности этих пор некие трехслойные структуры. Судя по статье в «Applied Physics Letters», речь может идти о металлических электродах из никеля и кобальта, между которыми помещается мономолекулярный слой органического вещества, в элементном составе которого есть углерод, водород и сера. Это вещество синтезировано в результате самосборки молекул. Вопрос лишь в том, что это за вещество, способное заставлять пропущенный через него ток создавать эффект туннелирования электронов через мономолекулярный слой органики. Ведь это уже и впрямь квантовомеханическое явление, наблюдаемое на расстояниях атомарных масштабов, и квант в таких случаях получает волновые свойства, а значит, может легко проникать через любые барьеры. Во всяком случае, ученые уверены, что использование подобных нового материала в электронике может произвести настоящую революцию в производстве компьютерного «железа», позволит создавать устройства невиданной доселе мощности.

Впрочем, для IT-спецов спинтроника не такая уж и новость, - она уже сегодня применяется в считывающих головках жестких дисков компьютера, и имеет явные преимущества перед электроникой хотя бы потому, что у этих устройств меньше размеры, зато очень высокая скорость. «Фишка» в том, что ранее в спинтронных устройствах применялись неорганические материалы. А как выяснилось, органика здесь подходит больше, особенно если учесть перспективы манипуляции и самосборки молекул, и возможности магнитной коммутации с помощью этого устройства.

Впрочем, есть и куда более свежие, «подброшенные» природой материалы, которые могут быть применены в компьютерах нового поколения.

Кремний - от губок, броня – от рака

Специалисты по генной инженерии из Калифорнийского университета уже знают способ получения белков-силиакатеинов, которые можно будет использовать в производстве электроники: например, получать из таких белков двуокись кремния и двуокись титана, применяющихся в компьютерных чипах и солнечных батареях.

Кстати, белки, «рождающие» кремень, вырабатывают некоторые виды морских губок. Впрочем, есть и такие виды морских губок, которые производят… стекловолокно. А этот материал, как известно, используют в оптоволоконных сетях. Есть и бактерии, производящие нано-частицы.

А вот совсем уж уникальные свойства рака-богомола роскошного или Peacock Mantis Shrimp. Химики из университета Калифорнии обнаружили необычайную прочность клешней, которыми этот рак легко разбивает даже толстенные  стенки аквариумов. Эти сверхпрочные клешни природа сделала не из обычного, а трехслойного легчайшего хитина, выдерживающего самые высокие ударные нагрузки без каких-либо повреждений структуры. Выяснилось, что «ударяющая» поверхность клешней рака-богомола состоит из чрезвычайно плотного гидроксиапатита. Достаточно сказать, что его прочность на сжатие выше, чем у наикрепчайшей керамики типа оксида циркония или карбида кремния. Под этим сверхпрочным панцирем есть более упругий слой, состоящий из геликоидальных спиральных хитиновых волокон, окруженных полужидкой минеральной массой. Но есть еще и наружная часть клешни, здесь уже сплошной хитиновый слой. Этот «бутерброд» и даёт клешне рака невиданную прочность. Точно по такому же принципу устроены и современные композитные материалы. Отличие их от природного композита раковой клешни только в том, что искусственно созданные композиты намного уступают в прочности природным. И неудивительно, что сегодня многие лаборатории бьются над созданием композитных материалов, хотя бы близко напоминающих по прочности хитин рака-боомола. Из таких сверхлегких и сверхпрочных материалов можно делать все что угодно, - от обшивки для самолетов и автомобилей, до деталей компьютеров.

Медный клоп

Конечно, сегодня речь идет поиске новых композиционных материалов не только для IT. Недавно китайские ученые обратили внимание на клопа-водомерку, способного буквально скользить по воде как по льду благодаря наличию на лапках бороздок, делающих их гидрофобными. Китайцы взяли эту особенность водомерки на заметку, когда работали над созданием олеофобных материалов, способных отталкивать жиры и масла. В принципе, такие материалы существуют достаточно давно, но они перестают работать, как только на них попадает вода. Китайские ученые попытались решить проблему, соорудив робота-водомерку. Его медные лапки погрузили в гидрат аммиака, и таким образом на лапках робота появилась нанотекстура из оксидов меди, весьма смахивающая на текстуру лапок клопа-водомерки. Выяснилось, что после такого окисления олеофобные материалы перестают реагировать на воду. Секрет в том, что «окисленная» медная проволока показывает угол касания с каплей масла в 164 градуса под водой, - на деле это означает, что такое покрытие не только на меди, но и на любых других металлах, и даже на полимерах, сделает невосприимчивыми к воде олеофобные материалы.

Применять это открытие можно во многих сферах, - например, появится возможность создавать роботов, способных чистить нефтяные разливы в Мировом океане. Впрочем, сгодится открытие  китайских ученых и в повседневной жизни: скажем, если покрыть таким материалом лобовое стекло автомобиля, к нему больше не будут прилипать мухи и мошки.    
Несомненно, рано или поздно, на Земле появятся экологически чистые, безотходные и самоподдерживающиеся биологические заводы, где будут производиться необходимые для промышленности композитные элементы. Люди освоят и новые технологии генной инженерии, которые позволят создавать белки с заданными свойствами, - те же высокопроводящие оксиды, самопроизводящие кремниевые наночастицы, которые можно применять и в компьютерной технике, и во многих других областях жизни. Всё это обязательно случится уже в обозримом будущем, - процесс, как говорится, пошёл, а прогресс, как известно, не остановить.

Оценить статью
(0)
Добавить комментарий
Получать ответы на почту
Получать ответы на почту