Япония – 2022: страна высоких технологий
Академик Олег Фиговский, Альянс Народов Мира
Страна восходящего солнца всегда была на передовой высоких технологий. Поскольку японцы живут на небольших островах, которые, ко всему прочему, постоянно подвергаются сейсмической активности, без разработок сферы технологий бороться с природой сложно. Также были в истории этой страны и другие потрясения, которые просто заставили ее развиваться в технологическом плане. Например, ряд запретов после Второй мировой войны. Так страна потеряла право разрабатывать авиацию и все инженеры ушли у автомобильную и мотоциклетную промышленность. Японская культура славится любовью к технологиям: в этой стране не только происходит постоянная разработка новейших технических средств, но даже туалеты в жилых домах обустроены по последнему слову техники.
Японская инновационная стратегия играет большую роль в высоких конкурентных способностях государства на фоне западных развитых держав. Её быстрый экономический рост и гибкость в приспосабливании к внезапным переменам на международном рынке были бы невозможными без результативной инновационной деятельности — одной из основ этого достижения. Инновационная политика Японии включает следующие направления: Улучшение качества преподавания в вузах на технических специальностях;
Привнесение инноваций в образовательный процесс;
Укрепление связей между университетами и частным сектором;
Финансовая поддержка эффективных исследований;
Субсидирование и защита интеллектуальной собственности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР);
Оказание помощи международным проектам по научно-техническому сотрудничеству.
Примером такого международного сотрудничества явилось намерение Японии догнать Тайвань на рынке микроэлектроники в течение следующих трех лет. С этой целью японские власти объединились с правительством США и организовали закрытый проект, участие в котором будут принимать частные компании из обеих стран. Если партнеры будут действовать в соответствии с планом, Япония наладит массовый выпуск самых передовых микросхем, собранных по 2-нанометровому техпроцессу, уже в 2025 году. Двустороннее партнерство между Японией и США затрагивает проектирование, производство и коммерциализацию чипов нового поколения. Предполагается, что японские и американские предприятия совместно создадут прорывное производство, в рамках которого будет запущен новый исследовательский центр. Большую часть расходов этого центра покроет бюджет Министерства экономики, торговли и промышленности Японии. НИОКРы начнутся уже во второй половине этого года, а массовое производство будет организовано в период с 2025 по 2027 год.
В начале мая 2022 года Япония и США согласовали основные принципы сотрудничества в области полупроводников. Во многом это сотрудничество пересекается с программой «нового капитализма» премьер-министра Японии Фумио Кишиды. Инициатива предполагает создание проектной и производственной базы на основе государственно-частного сотрудничества между двумя странами. Компании США IBM и Intel числятся в списке партнеров исследовательской лаборатории в городе Цукуба, которая находится в ведении Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии.
Полупроводники меньшего размера приводят к миниатюризации и повышению производительности электронных устройств. Сейчас наиболее актуальными решениями являются 5-нм процессоры — такие чипы устанавливаются в последние модели смартфонов Apple, Samsung и других ИТ-гигантов. Но компании-разработчики продолжают совершенствовать производственные линии, чтобы нарастить мощность своих гаджетов. Кроме того, 2-нм чипы обещают более высокую энергоэффективность, что в глобальном масштабе благоприятно скажется на климате планеты, уверены в TSMC и Intel.
Не менее значимы достижения Японии во других областях; например, в роботизации. Новый робот с поддержкой ИИ, разработанный японскими исследователями, успешно прошел клинические испытания: он может проводить операцию по удалению камней в почках. Чрескожная нефролитотомия (PCNL) — это эффективная, малоинвазивная процедура, которую используют для удаления крупных камней в почках. Для операции нужно создать доступ от кожи на спине к почке, это важный, но сложный шаг в процедуре PCNL. Если доступ к почке сделать неправильно, то это может привести к серьезным осложнениям, например, к кровотечению, повреждению грудной клетки и кишечника или даже к сепсису. Поэтому для эффективного выполнения процедуры нужны годы тренировок и практики. Существует два основных метода сделать доступ к почкам — с помощью флюороскопии и ультразвука.
Команда учёных провела рандомизированное, одиночное слепое контролируемое исследование, в котором использовали свой роботизированный метод с флюороскопией для проведения этой процедуры. Это было первое исследование на людях и первое клиническое применение технологии. Показатель успеха однократной пункции составил ~34 и 50% в двух исследуемых группах. Также продолжительность пункции была значительно короче. Количество проколов иглой сократилось в 0,73 раза. В выводе авторы заявили, что их устройство упрощает процедуру и облегчает работу врачей. Они отметили, что этот метод может проложить путь к автоматизации аналогичных операций.
Исследователи из Токийского университета разработали метод покрытия пальца робота живыми человеческими клетками. Кожа, созданная с помощью новой технологии, обладает водоотталкивающими свойствами и способна восстанавливаться. Ученые использовали настоящие человеческие клетки, чтобы создать кожу для андроида. Двухслойное покрытие, состоящее из соединительной ткани и внешнего эпителия, имитирует облик и тактильные свойства человеческой кожи. Кроме того, оно способно к самовосстановлению. Для создания кожи ученые погрузили палец робота в цилиндр, наполненный раствором из коллагена и дермальных фибробластов, основных компонентов соединительной ткани человеческой кожи. Клетки этой смеси, как показали исследователи, сжимаются и плотно охватывают искусственный палец. После формирования внутреннего слоя разработчики поместили палец в раствор кератиноцитов человека. Эти эпителиальные клетки, как объясняют ученые, придают искусственной коже текстуру и создают барьер для удержания влаги.
В экспериментах ученые показали, что покрытие достаточно прочное и эластичное, чтобы выдерживать динамические движения, например, сгибание и разгибание пальца. Кроме того, исследователи показали способность кожи к «заживлению» ран. В случае нарушения целостности покрытия достаточно было использовать коллагеновую повязку, которая постепенно трансформировалась в кожу, затягивая рану. Сейчас ученые работают над внедрением в клеточную структуру сенсорных нейронов, волосяных фолликул, ногтей и сальных желез.
Японские исследователи продемонстрировали, что нанороботы могут доставлять грузы, когда они работают как одна система. Их эффективность была в пять раз больше, чем у одиночных устройств. Команда исследователей во главе с доктором Мусуми Актером разработала первых в мире нанороботов, которые работают вместе и делают это лучше, чем поодиночке. Они могут разделять рабочую нагрузку, реагировать на риски и даже создавать сложные структуры в ответ на изменения в окружающей среды. Роевая робототехника — это новая дисциплина, которая появилась из наблюдений за животными и живыми организмами, работающими сообща. Рой — это упорядоченный коллектив, в котором особи взаимодействуют. Нанороботов, построенных по этому принципу, можно использовать для транспортировки и сбора грузов, а также при строительстве сложных конструкций.
Команда сконструировала около пяти миллионов нанороботов. Они состояли из двух биологических компонентов: микротрубочек, связанных с ДНК и кинезина — это привод, который может транспортировать микротрубочки. ДНК объединили со светочувствительным соединением под названием азобензол — оно функционирует как датчик и помогает контролировать рой. Если воздействовать на соединение видимым светом, то в его структуре образуются двойные нити ДНК и много микротрубочек. Воздействие ультрафиолетового излучения обращает этот процесс вспять. Авторы использовали груз — это полистирольные шарики диаметром от микрометра до десятков микрометров. Эти шарики обработали ДНК, связанной с азобензолом. В результате груз забирали при воздействии видимого света и отдавали при воздействии ультрафиолета. Отдельные нанороботы могут загружать и транспортировать полистирольные шарики диаметром до 3 микрометров, а рой перевозит груз диаметром до 30 микрометров. Также исследователи сравнили, как далеко они могут переносить грузы. В результате рой был в пять раз эффективнее при транспортировке по сравнению с одиночными нанороботами.
Kawasaki объявила об успешном тестировании беспилотного летательного транспорта eVTOL и робота-погрузчика для автономной доставки грузов. Появилась полностью роботизированная система доставки грузов, которая в перспективе сможет работать без участия человека. Одним из ключевых элементов системы является беспилотный вертолет K-Racer X1, работающий на 1,0-литровом двигателе фирменного мотоцикла H2R. Разработчики создали и протестировали беспилотный летательный аппарат: он способен перевозить 100-килограммовую полезную нагрузку и оснащен механизмом загрузки и разгрузки робота-доставщика.
K-Racer X1 — это дрон размером с небольшой автомобиль. На первый взгляд он напоминает вертолет, у которого вместо компенсирующего крутящий момент хвостового винта имеются два винта на небольших крыльях. Они играют не только компенсирующую роль, но и обеспечивают движение машины вперед, а крылья, на которых они установлены, несколько увеличивают подъемную силу машины. В дроне установлен двигатель H2R, он развивает мощность до 300 л.с., ее достаточно для перевозки полезной нагрузки летательного аппарата. Установка может работать в составе полностью роботизированной системы доставки грузов. В нее также войдут малые грузовые роботы, которые выглядят как платформы на колесах. Наземный аппарат подвозит груз к дрону, заезжает в грузовой отсек и по достижении пункта назначения покидает его. Компания планирует объединить систему с полностью автоматизированными производствами, исключив участие человека. О сроках внедрения подобного проекта пока не сообщается.
Японские инженеры разработали робота-змею с магнитами в колесах. Они показали, как магниты удерживают робота даже на вертикальных поверхностях, а конструкция из нескольких сегментов позволяет ему переезжать через препятствия. Одна из глобальных целей, для которой инженеры разрабатывают роботов и дронов, заключается в том, чтобы заменить ими людей при работе в сложных и опасных условиях. В частности, дроны позволяют безопасно мониторить, а иногда и обслуживать, высотные конструкции, работа с которыми всегда несет в себе некоторый риск. Чаще всего речь идет о бесконтактных работах, хотя есть отдельные дроны, которые могут прислоняться к вертикальным поверхностям, чтобы, например, измерить их толщину. Но дроны тратят на удержание в воздухе очень много энергии и очень ограничены в массе переносимых инструментов и времени полета.
Группа инженеров под руководством Мотоясу Танака (Motoyasu Tanaka) из Университета электрокоммуникаций разработала и испытала робота, который может ездить по вертикальным металлическим конструкциям и останавливаться, не затрачивая при этом энергии. Робот состоит из восьми секций, которые могут поворачиваться относительно друг друга. Первая и последняя секции пассивны, а в шести центральных располагаются колеса, на поверхности которых установлены неодимовые магниты. Это позволяет роботу удерживаться на металлических поверхностях, причем инженеры отмечают, что силу прижимания можно подстраивать под полезную нагрузку робота, меняя количество магнитов. Разработчики показали потенциальное применения робота, заставив его заехать на вертикальный стальной резервуар. Перед заездом робот поднял переднюю часть и подъехал еще ближе, а затем по очереди сделал то же самое с другими секциями. Примечательно, что во время езды он смог преодолеть выступ, соединяющий две части резервуара, не упав вниз.
Ученые Японии разработали легкий экзоскелет, который, обучаясь, может угадывать, как именно пользователь хочет двигаться. Робот-экзоскелет сделан на основе углеродного волокна для нижней части тела. Та часть, что крепится к бедрам, весит всего 604 грамма, а та, что присоединяется к голеням, – 206 грамм. Разработчики использовали искусственный интеллект – метод, известный как ПУ-обучение (обучение без маркировки), – чтобы экзоскелет научился правильно считывать намерения пользователя – по данным измерений его мышечной активности. ПУ позволяет использовать неоднозначные данные: метод миксует положительные варианты действий – в них машина точно уверена – и неоднозначные: они могут быть как положительными, так и отрицательными, что позволяет искусственному интеллекту обучаться и точнее понимать намерение человека.
В ходе эксперимента участники выполняли различные движения, которые могут начинаться одинаково: вставали, скрещивали ноги, наклонялись вперед и меняли положение на стуле. Экзоскелет использовал машинное обучение, чтобы угадать, когда они на самом деле пытаются встать, а затем оказывал помощь в движении. Эксперимент прошел успешно. Как отмечают авторы работы, новый робот-экзоскелет оказался чувствительнее, чем традиционные приспособления, которые используют только четко определенные данные и не всегда точно могут угадывать движение, которое человек хочет сделать.
В Японии создали железнодорожного строительного робота, похожего на трансформера. Компания JR West разработала многофункционального строительного робота, который способен двигаются по рельсам и проводить работы с электричеством на большой высоте.Внутри машины находится оператор-человек, который управляет роботом, а тот повторяет движения его тела и рук. Испытания разработки уже начались, в продажу робот должен поступить весной 2024 года.
Японская компания SRI Robotics показала прототип полуавтономного экскаватора. Им можно управлять как вручную из кабины, так и рядом или вовсе удаленно с помощью пульта или VR-шлема. А часть задач экскаватор может выполнять самостоятельно. Есть разные подходы к автоматизации хозяйственной и промышленной техники. Часть инженеров сразу решает эту задачу полной автоматизацией. Другие же предлагают автоматизировать лишь простые действия или дать возможность управлять машиной удаленному оператору, чтобы не подвергать человека опасности. Второй подход предпочтительнее тем, что реализовать частично автономную машину гораздо легче, чем научить ее решать все задачи самостоятельно.
SRI Robotics разработала прототип экскаватора, который может выполнять простые и повторяющиеся действия. Например, он умеет выезжать и заезжать в гараж или ангар. Кроме того, ему можно получить простое рытье небольших траншей. Наконец, в экскаватор встроили камеры, позволяющие ему отслеживать людей и другие объекты вокруг и реагировать на них. Если человек вошел в опасную зону вокруг экскаватора, все движения сразу же прекращаются, а на крыше включается световой сигнал. Камеры также нужны для работы оператора, который может управлять экскаватором вблизи или удаленно через интернет. Всего под крышей установлено шесть камер глубины, с помощью которых машина создает трехмерную карту пространства из вокселей. Оператор в VR-шлеме видит спереди цветной видеопоток с камеры, а по бокам — трехмерную карту. Управлять экскаватором можно как с помощью пульта с двумя джойстиками, такими же как на самом экскаваторе, так и с помощью беспроводного контроллера для VR-шлема. В таком случае оператору достаточно просто двигать рукой и ковш будет дублировать ее перемещения.
Сверхчистую алмазную пластину диаметром 5 см можно использовать для хранения данных с высокой плотностью. Исследователи из Японии разработали новый метод изготовления алмазных пластин диаметром 5 см, которые можно использовать для создания квантовой памяти. Сверхвысокая чистота алмаза позволяет хранить огромный объем данных, эквивалентный миллиарду дисков Blu-ray. Алмаз — один из самых перспективных материалов для практических систем квантовых вычислений. Конкретный дефект в кристалле, известный как азото-замещенная вакансия в алмазе, позволяет использовать для хранения данных в виде сверхпроводящих квантовых битов (кубитов). Но когда азота слишком много в алмазе, это нарушает его способность к квантовому хранению. Чтобы решить проблему, ученым приходилось создавать либо огромные алмазные пластины со слишком большим количеством азота, либо сверхчистые алмазные пластины, которые слишком малы, чтобы их можно было использовать для хранения данных. Теперь исследователи из Университета Сага и компании Adamant Namiki Precision Jewellery Co. в Японии разработали новый метод производства алмазных пластин сверхвысокой чистоты, чей размер подходит для практического использования. Теперь они изготавливаются путем выращивания кристаллов на материале подложки. В новом процессе ее поверхность была сделана в виде ступенек, что распределяет напряжение по горизонтали и предотвращает растрескивание. Концентрация азота в таких пластинах — менее трех частей на миллиард (ppb), что делает их невероятно чистыми. Сейчас это самые большие пластины с таким уровнем чистоты. С помощью такой техники получаются алмазные пластины размером 5 см в поперечнике и имеют такую огромную плотность данных, что теоретически они могут хранить эквивалент миллиарда дисков Blu-ray. Один Blu-ray может хранить до 25 ГБ (при условии, что он однослойный), а, значит, алмазная пластина должна хранить 25 эксабайт (ЭБ) данных. Компания назвала свои пластины Kenzan Diamond.
Поезда Tokyu Railways, курсирующие через Сибуя и другие станции перешли только на возобновляемую энергию. Это означает, что все семь железнодорожных линий и одна трамвайная линия не выбрасывают в атмосферу углекислый газ. Экологически чистая энергия используется в том числе для торговых автоматов с напитками, камер наблюдения и освещения. Tokyu, в которой работает 3855 человек — это первый железнодорожный оператор в Японии, который смог воплотить такое решение. В компании отмечают, что сокращение выбросов углекислого газа эквивалентно среднегодовым выбросам от 56 000 японских домой. Это решение очень важно для всей Японии, эта страна находится на шестом месте по объему выбросов углерода. Сейчас правительство поставило цель — достичь углеродной нейтральности к 2050 году.
Ре Такаги, профессор Университета Когакуин и специалист по системам электрических железных дорог считает, что следующим важным решением должен стать переход с дизельных поездов на линии, работающие на водороде. Также нужно заменить автомобили, потребляющих газ, на электрические. По данным Института устойчивой энергетической политики, только около 20% электроэнергии в Японии поступает из возобновляемых источников.
Японская машиностроительная корпорация Mitsubishi Heavy Industries планирует коммерциализировать ядерные микрореакторы к концу этого десятилетия. Компания работает над установками нового типа — достаточно компактными, чтобы их можно было перевозить на тягачах. Такие реакторы будут весить менее 40 тонн, а их максимальная мощность составит 500 кВт. В Mitsubishi считают, что такая система пригодится в удаленных регионах, на островах, в сельской местности и зонах, пострадавших от стихийных бедствий. В качестве базовой концепции Mitsubishi выбрала полностью твердотельную активную зону.
В микрореакторе компании используется материал на основе графита с высокой теплопроводностью, который отводит тепло от активной зоны без использования жидкого теплоносителя. Активная зона ядерного реактора и остальное оборудование при этом содержатся в герметично закрытых капсульных контейнерах. Стоимость такого микрореактора оценивается в несколько десятков миллионов долларов, что намного меньше, чем $6 млрд, которые требуются для строительства средней атомной электростанции мощностью 1,2 гигаватт. Реактор получит вытянутый корпус высотой в три метра и шириной около четырех метров. Предполагается, что по габаритам он будет помещаться в стандартный грузовой контейнер. Несколько реакторов можно будет объединять в единый блок для создания более мощной энергосистемы. Mitsubishi планирует вывести эту технологию на рынок к 2030 году, как только получит одобрение от правительства Японии.
Mitsubishi намерена провести первые макетные испытания мобильного реактора с 2023 по 2025 год. В рамках этой инициативы производитель проверит функции охлаждения — пассивной платформы, которая полагается на естественную теплопередачу без источника энергии, воды и вмешательства со стороны оператора. В этих процессах не будет участвовать ядерное топливо. В период с 2026 по 2030 годы компания создаст полнофункциональный прототип. Последний продемонстрирует свои характеристики в обстоятельствах, приближенных к реальным сценариям использования. Система должна доказать, что способна работать длительные периоды времени, не подвержена сбоям в программном и аппаратном обеспечении, а также поддерживает ряд функций для аварийного выключения. В роли источника энергии Mitsubishi будет использовать высокообогащенный уран. Одного блока топливных элементов реактору хватит примерно на 25 лет работы, после чего разработчик должен будет пересобрать устройство для выгрузки отработанного урана и загрузки нового. Представители Mitsubishi также отметили, что подобные установки можно будет устанавливать под землей — так компания снизит вероятность повреждений во время стихийных бедствий.
Исследователи создали экспериментальную систему хранения данных на основе сегнетоэлектрических и антисегнетоэлектрических полевых транзисторов. Новая система требует минимального энергопотребления. Инженеры из Токийского университета изготовили трехмерные полевые транзисторы вертикальной формы для создания устройств хранения данных. Новая система, по словам разработчиков, отличается высокой плотностью хранения данных и низким энергопотреблением. Экспериментальная трехмерная многослойная ячейка памяти создана на основе вертикальных полевых транзисторов с оксидно-полупроводниковым каналом. Внутри канала исследователи нанесли слои оксида гафния (сегнетоэлектрик) и оксида индия (антисегнетоэлектрик). Созданное устройство использует сегнетоэлектричество (спонтанную поляризацию в кристаллах) для хранения данных. Информация хранится по степени поляризации в сегнетоэлектрическом слое, которые могут быть считаны системой из-за изменений электрического сопротивления.
Разработчики объясняют, что у сегнетоэлектриков есть электрические диполи, которые наиболее стабильны, когда выровнены в одном направлении. Оксид гафния обеспечивает спонтанное выравнивание диполей. Исследователи говорят, что, используя антисегнетоэлектрик вместо сегнетоэлектрика, они обнаружили, что для стирания требуется лишь крошечный суммарный заряд, что повышает эффективность записи данных. Авторы работы, представленной на конференции Института инженеров электротехники и электроники, сообщают, что созданное экспериментальное устройство стабильно работает в течение как минимум 1000 циклов записи. Ученые полагают, что комбинация таких экспериментальных модулей поможет создать системы хранения данных с низким энергопотреблением для бытовой электроники Интернета вещей.
Исследователи из Токийского технологического института разработали приемопередатчик для сетей связи 5G, который использует беспроводную передачу электричества для работы. Инженеры создали трансивер (приемопередатчик) для связи 5G, который полностью питается от беспроводного сигнала и не нуждается в физических сетях связи. Устройство имеет два режима работы: режим приема и режим передачи. В режиме приема трансивер принимает сигнал 5G и сигнал мощности миллиметрового диапазона. Этот сигнал активирует устройство и обеспечивает его питанием. Затем устройство переходит в режим передачи и отправляет сигнал 5G обратно в том же направлении, откуда оно изначально его получило.
Распространение технологий Интернета вещей существенно увеличивает количество устройств, подключенных к сетям связи. Производители таких приборов активно работают над обеспечением беспроводной зарядки. Однако, как отмечают авторы новой работы, ключевая проблема таких решений — короткие расстояния передачи энергии и необходимость зафиксировать направление, откуда можно получить зарядку. Разработчики говорят, что новое устройство может передавать энергию в широком диапазоне углов и расстояний. Например, в отличие от предыдущих разработок при изменении направления беспроводной передачи энергии от 0° до 45° новое устройство может продолжать генерировать 46% мощности. По словам инженеров, для аналогов аналогичное значение падает до долей процента. Это первый в мире одновременный прием силовых и коммуникационных сигналов с управлением лучом. Мы искренне верим, что подобные технологии могут революционизировать сеть Интернета вещей и освободить ее от оков, которые сковывают ее сегодня, – Ацуши Ширане, исследователь из Токийского технологического института, соавтор разработки.
Японские инженеры сконструировали турбину, чтобы превратить поток воды в электроэнергию. Компания Ishikawajima-Harima Heavy Industries занимается разработкой технологии уже более десяти лет и сотрудничает с Организацией по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO). В феврале проект прошел успешное испытание в водах у юго-западного побережья Японии. Прототип турбины назвали Kairyu, он переводится как океанское течение. Его фюзеляж составляет 20 м, он окружен парой цилиндров одинакового размера, в каждом из которых размещена система выработки электроэнергии, прикрепленная к 11-метровой лопатке турбины. Устройство привязывают ко дну якорным канатом и силовыми кабелями, оно может сориентироваться, чтобы найти наиболее эффективное положение для выработки энергии за счет толчка глубоководного течения и направить ее в сеть.
Kairyu спроектировали так, чтобы он находился примерно в 50 м под водой. Когда он плывет к поверхности, то создается сопротивление, оно обеспечивает необходимый крутящий момент на турбинах. Каждая из лопастей вращается, чтобы устройство оставалось относительно стабильным. При скорости от двух до четырех узлов (около 1–2 м/c) Kairyu способен вырабатывать в общей сложности 100 киловатт энергии. 100 киловатт — это немного, но технологию планируют масштабировать и создать устройство с 20-метровыми турбинами, чтобы вырабатывать более 2 мегаватт.
Японские физики смоделировали поведение двумерных двухкомпонентных аморфных тел для различных типов межатомного взаимодействия. Их интересовало происхождение бозонного пика, то есть избытка колебательной плотности состояний, присущей всем аморфным телам. Они выяснили, что этот избыток связан с сильным взаимодействием фононов с квазилокализованными одномерными модами, но только для поперечного случая. Твердые тела интересны тем, что их свойства во многом определяются не столько химической природой составляющих их атомов, сколько способ их расположения друг относительно друга. Ситуация, когда атомы выстроены в упорядоченный массив (кристалл), существенно отличается от их разупорядоченной укладки (аморфное тело). Важную роль при этом играет наличие дальнего порядка и симметрии. Теория кристаллов во многом опирается на идею о том, что, если сместить решетку на целое число периодов, уравнения измениться не должны (трансляционная симметрия). Этот подход оказался очень плодотворным и позволил ученым связать экспериментально наблюдаемые свойства кристаллов (теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и так далее) с поведением электронов и коллективных колебаний атомов (фононов).
Аморфные тела лишены трансляционной симметрии, поэтому понимание соответствующей физики уступает таковому для кристаллов. Одной из самых больших загадок при этом остается так называемый бозонный пик, то есть аномальный избыток приведенной плотности состояний фононов при низких энергиях. Как правило, он проявляет себя в опытах по измерению теплоемкости и теплопроводности при низких температурах, а также в экспериментах по рамановскому рассеянию света и при рентгено- и нейтроноструктурному анализу. Бозонный пик встречается у всех аморфных тел и даже некоторых жидкостей. Это означает, что его причиной становится структурный беспорядок, и, как следствие, ангармоничность атомных колебаний. Несмотря на огромный интерес физиков к этому явлению и почти полувековую историю исследований до сих пор отсутствует его общепринятая интерпретация.
Загадочность бозонного пика мотивировала Юань-Чао Ху (Yuan-Chao Hu) и Хадзимэ Танака (Hajime Tanaka) из Токийского университета разобраться в его природе с помощью численных симуляций с большим числом атомов. Применив моделирование к трем различным двумерным стеклоподобным системам, они пришли к выводу, что за возникновение бозонного пика отвечают квазилокализованные колебательные моды в форме нитей или колец. Сложность симуляции аморфных тел заключается в том, что, если просто случайным образом расставить взаимодействующие атомы в модели и запустить симуляцию, они с некоторой вероятностью могут кристаллизоваться, не образовав стеклообразного состояния. Поэтому физики начинали с высоких температур и постепенно остужали модельную жидкость, давая ей время на структурную перестройку, пока она не застекловывалась. Конкретные параметры зависели специфики от межатомных взаимодействий. Авторы рассматривали двумерные смеси частиц двух сортов, взаимодействие между которыми было отталкивающим, притягивающим и зависящим от ориентации связи. Всего в модели было учтено 8192 атома, а область вычисления представляла собой квадрат с периодическими граничными условиями. Несмотря на различия в типе взаимодействия, результаты во всех трех случаях имели одинаковый характер.
Имея доступ к состоянию каждого атома и условиям, в которых он находится, исследователи имели возможность понять, как устроены коллективные колебания всего тела. При низких частотах колебательные моды обладают пространственной когерентностью и представляют собой фононы. При высоких же частотах распространение колебаний по стеклу имеет случайный, диффузный характер (такие моды часто называют диффузонами). Наконец, в промежуточном случае, когда длина волны колебания совпадает с длиной свободного пробега фонона (условие Иоффе − Регеля), возникают гибридные колебания, которые могут возникать и привязываться к определенным местам тела. При таких условиях, как правило, и наблюдается бозонный пик. Чтобы увидеть его в своей модели, физики с помощью нескольких методов строили приведенную плотность колебательных мод. Они разделяли продольные колебания от поперечных, а также строили для каждого из них динамические структурные факторы, которые содержат в себе информацию о корреляциях между частицами и их эволюции во времени.
В результате ученые выяснили, что увеличение плотности состояний на квазилокализованных модах встречается только для поперечных колебаний. Это означает, что возникновение бозонного пика не связано с измерением объема тела, и потому с легкостью наблюдается и в плотных стеклах. Энергия самих квазилокализованных мод при этом циркулирует вдоль нитеподобных и кольцеподобных одномерных структур. Несмотря на универсальность увиденных процессов относительно деталей межатомных взаимодействий, авторы отмечают, в реальных системах природа возникновения бозонного пика может иметь иной характер. В качестве примера они привели стекла на основе диоксида кремния, в которых локализованные моды могут соответствовать вращательным колебаниям между соседними тетраэдрами.
Японские ученые продемонстрировали возможность передачи данных с рекордной скоростью, превышающей 1 Пбит/с, с использованием стандартного оптоволокна с четырьмя сердцевинами. Система передачи данных, разработанная исследователями из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), использует оптоволокно с четырьмя сердцевинами и стандартным диаметром оболочки 0,125 мм. В экспериментах ученым удалось передать данные с рекордной скоростью 1,02 Пбит/с на расстояние 51,7 км. Исследователи сообщают, что система передачи данных поддерживает рекордную оптическую полосу пропускания, превышающую 20 ТГц, посредством спектрального уплотнения каналов. Технология, предложенная учеными, предусматривает передачу данных не только в C- и L-диапазонах частот, которые применяются в коммерческих устройствах, но также и в S-диапазоне.
В новой разработке применяется два вида усилителей. Специализированные волоконные усилители, легированные тулием (TDFA), передают данные с частотами S-диапазона, а расширенные волоконные усилители, легированные эрбием (EDFA), работают в L-диапазоне. Благодаря этому устройство создает 801 канал с разнесенными длинами волн по 25 ГГц. Кроме того, при передаче данных применяется квадратурная модуляция 256-QAM. Исследователи отмечают, что предыдущий рекорд для такого типа оптического волокна составлял 610 Тбит/с. При этом еще в 2020 году ученые из NICT передавали данные со скоростью, превышающей 1 Пбит/с, но для этого требовалось 15-модовое оптическое волокно. Такие волокна требуют сложных методов пространственного кодирования сигнала (MIMO). Как следствие, их промышленное развертывание потребует крупномасштабной разработки специализированных интегральных схем. Напротив, новая разработка совместима с современными кабельными технологиями и не требует сложной обработки сигналов. Это, как отмечают авторы исследования, означает, что для передачи данных с помощью новой технологии можно использовать обычное приемопередающее оборудование.
Химики из Японии создали синтетический аналог аквапоринов — белков, обеспечивающих транспорт воды через клеточные мембраны. Ученые сначала синтезировали кольцеобразные молекулы, а затем собрали из них наноканалы с гидрофобной внутренней поверхностью. Скорость движения воды в наноканалах оказалась на два порядка выше, чем в природных аквапоринах, в то же время для отрицательно заряженных ионов они остались непроницаемыми.
Аквапорины или «водные каналы» — белки, которые образуют поры для воды в мембранах живых клеток. Благодаря своей структуре, аквапорины избирательно пропускают молекулы воды, но в то же время блокируют ионы и другие растворенные вещества. Ученые уже давно пытаются создать искусственный аналог аквапоринов — первые такие работы появились почти двадцать лет назад. Однако, все синтетические варианты пока что заметно уступали оригиналу: скорость фильтрации в них была ниже, а количество пропускаемых примесей — выше. Решить эту задачу сумели японские ученые под руководством Такузо Аиды (Takuzo Aida) из Университета Токио.
Исследователи из Нагойского университета и Университета Хоккайдо (Япония) синтезировали первый лентообразный молекулярный наноуглерод с топологией скрученной ленты Мёбиуса, который прокладывает путь к разработке наноуглеродных материалов со сложной топологической структурой. «Углеродный нанопояс Мёбиуса был молекулой мечты в научном сообществе после того, как мы сообщили о первом химическом синтезе углеродного нанопояса — ультракороткой углеродной нанотрубки — в 2017 году. Точно так же, как и с ремнями, которые мы используем каждый день, мы представляли, что произойдет с нашим «молекулярным поясом», если его затягивать и поворачивать. Это еще одна удивительно красивая молекула», — говорит Кеничиро Итами, руководитель исследовательской группы.
Углеродный нанопояс Мёбиуса был синтезирован в результате 14 стадий химической реакции, включая недавно разработанную реакцию функционализации, реакцию Виттига и никель-опосредованную реакцию гомосочетания. Спектроскопический анализ и моделирование методом молекулярной динамики показывают, что поворотный фрагмент ленты Мёбиуса быстро перемещается вокруг молекулы углеродного нанопояса в растворе. Открытие прокладывает путь к разработке наноуглеродных материалов со сложной топологической структурой, которые могут применятся в нанотехнологиях, электронике, оптике и биомедицинских приложениях. Лента Мёбиуса – топологический объект, неориентируемая поверхность с одним краем. Ее модель можно представить в виде полоски бумаги, у которой соединены противоположные края, но один из них перед этим был перевернут.
Японские исследователи разработали композитное покрытие на основе кремнезема и смолы, которое защищает бумагу от воздействия окружающей среды, превращая ее в экологичный заменитель пластика. Исследователи из Института физики твердого тела Токийского университета под руководством Зендзи Хирои разработали экономичное биоразлагаемое покрытие Choetsu. Эта технология делает бумагу водонепроницаемой, сохраняя при этом ее гибкость. Choetsu состоит из безопасных и недорогих химических веществ, в основном из метилтриметоксисилана, некоторого количества изопропилового спирта и небольшого количества тетраизопропилтитаната. Авторы разработки отмечают, что при контакте с влагой воздуха эти материалы самопроизвольно образуют прочную и водонепроницаемую пленку на поверхности бумаги. Чтобы придать свойства пластика бумажным изделиям, например, контейнерам для пищевых продуктов, их необходимо опрыскать или погрузить в жидкую смесь химических реактивов. После чего изделия нужно высушить при комнатной температуре. Исследователи говорят, что после высыхания на целлюлозе, из которой изготовлена бумага, образуется тонкий слой кремнезема, содержащего метиловый спирт, что обеспечивает прочность и водонепроницаемость.
Как подчеркивают ученые, в процессе обработки бумаги на поверхности пленки автоматически формируется слой наночастиц диоксида титана размером 2 нм. Эти элементы обеспечивают разложение метиленового синего и антибактериальную активность поверхности. Кроме того, пленка обладает высокой адсорбционной способностью, эффективно улавливая органические загрязнители до тех пор, пока они не разлагаются в результате фотокаталитических реакций. Ученые отмечают, что все химические вещества, формирующие покрытие, со временем распадаются на безвредные компоненты, такие как углерод, вода и кремний. «Теперь мы надеемся использовать этот подход и для других видов материалов. Жидкий состав можно настроить для других веществ, например, мы можем создать покрытие, устойчивое к грязи и плесени, которое можно нанести на стекло, керамику и даже другие пластмассы, чтобы продлить срок их службы», <span style=»font-size:12.0pt;font-family:»Arial»,sans-serif;mso-ascii-theme-
