Σχεδιάζοντας το αύριο: τα υλικά του μέλλοντος

φως και ύλη
Σχεδιάζοντας το αύριο
Τα υλικά του μέλλοντος που κερδίζουν τα Νομπέλ, πώς θα κάνουμε το φως να δουλέψει για μας, ο χαμένος κρίκος για τους ηλεκτρονικούς εγκεφάλους, γιατί οι Τ είναι οι νέες ακτίνες Χ

MEMRISTORS
Ο χαμένος κρίκος για έναν τεχνητό εγκέφαλο;

Τα δομικά στοιχεία ενός ηλεκτρικού κυκλώματος είναι οι αντιστάτες, οι πυκνωτές και οι επαγωγείς. Α, και οι memristors! Η ύπαρξη αυτών των συσκευών- των «αντιστατών με μνήμη»- είχε προβλεφθεί πριν από 40 χρόνια, όμως η ανακάλυψη ενός υλικού με μνημοστατική συμπεριφορά έγινε μόλις το 2008.
Το μικρό μέγεθος και η μικρή κατανάλωση ενέργειας των memristors τους καθιστούν τέλειους για την αποθήκευση και τον χειρισμό των πληροφοριών. Ενας μόνο memristor μπορεί να κάνει τη δουλειά περίπου 12 τρανζίστορ ενός τσιπ CΡU και τα πρώτα τσιπ που θα χρησιμοποιούν αυτή την τεχνολογία αναμένονται στην αγορά το 2012.
Οι memristors όμως μπορούν να προσφέρουν ακόμη περισσότερα. Μια ιδέα....
είναι ότι μπορούν να αναπαράγουν τη συμπεριφορά των συνάψεων, των «αγωγών» που μεταφέρουν ηλεκτρικά σήματα ανάμεσα στους νευρώνες. Η ανάπτυξη μνημοστατικών κυκλωμάτων που μιμούνται την αρχιτεκτονική του εγκεφάλου σε ένα τσιπ θα μπορούσε να βελτιώσει τις γνώσεις μας για τον «υπολογιστή» του οργανισμού μας και ίσως να βοηθήσει στην ανάπτυξη της τεχνητής νοημοσύνης της επόμενης γενιάς.

ΟΠΤΙΚΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ
Αγγιγμα φωτός
Το να κρατάς τα ηλεκτρόνια σε μια πορεία είναι εύκολο: περιορίζονται υπάκουα σε πολύ λεπτά μεταλλικά νήματα με διάμετρο μόλις μερικών νανομέτρων. Τα φωτόνια είναι πιο προβληματικά. Οι λεπτότερες οπτικές ίνες έχουν διάμετρο μικρομέτρων, καθιστώντας την ανάπτυξη ενός οπτικού αντίστοιχου του μικροτσίπ, για παράδειγμα, μια μακρινή προοπτική. Η οπτική μετασχηματισμού μπορεί να διορθώσει τα πράγματα προσφέροντας έναν τρόπο ώστε το φως να ρέει σαν το νερό γύρω από τα εμπόδια και να εστιάζεται σε σημεία πολύ μικρότερα από το μήκος κύματός του. Το μυστικό βρίσκεται στο να φανταστούμε τις ακτίνες του φωτός και τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία τους σαν να έχουν ενσωματωθεί σε ένα λαστιχένιο φύλλο. Τραβώντας και τεντώνοντας αυτό το φύλλο μπορεί κανείς να τα κατευθύνει όπως θέλει. Η στρέβλωση του φύλλου μάς λέει ποιες ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες θα πρέπει να έχει ένα μέσο με τα σωστά χαρακτηριστικά μετάδοσης.
Τα μέσα που έχουν σχεδιαστεί με τέτοιον τρόπο έχουν γίνει γνωστά ως μεταϋλικά. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν, για παράδειγμα, για να δημιουργηθούν μανδύες που οδηγούν την ακτινοβολία ομαλά γύρω από ένα αντικείμενο καθιστώντας το αόρατο για τα μάτια μας ή για να συλλέξουν φως επάνω από μια μεγάλη περιοχή και να το επικεντρώσουν σε νανοκλίμακα σε ένα φωτοευαίσθητο μόριο ή μια κβαντική κουκκίδα. Η οπτική μετασχηματισμού θα μας προσφέρει έναν νέο έλεγχο του ηλεκτρομαγνητισμού, με φωτόνια εξίσου υπάκουα όσο τα ηλεκτρόνια.

JOHN PENDRY Ο κ. Τζον Πέντρι είναι θεωρητικός φυσικός στο Ιmperial College του Λονδίνου και μέλος της ομάδας που σχεδίασε το πρώτο μεταϋλικό, γνωστό ως «αόρατος μανδύας». CLAYTRONICS

Η ύλη στο σχήμα που τη θέλετε
Φανταστείτε να «πλάθατε» τη γιαγιά σας δίνοντάς της το σχήμα ενός μπουφέ. Υπερβολικό, ίσως, όμως οι δυνατότητες της claytronics δεν απέχουν πολύ.
Αφορά την κατασκευή υλικών από μικροσκοπικά, ασύρματα προγραμματιζόμενα κομμάτια που ονομάζονται «κάτομα» και μπορούν να λάβουν οδηγίες ώστε να ενωθούν μεταξύ τους σε οποιαδήποτε τρισδιάστατη διάταξη. Στην πιο πρόσφατη ενσάρκωσή τους τα κάτομα είναι στριφογυριστές λωρίδες αγώγιμου υλικού μεγέθους χιλιοστού οι οποίες ανταποκρίνονται σε ηλεκτροστατικές δυνάμεις που ελέγχονται με τηλεχειρισμό.
Βρισκόμαστε ακόμη στα πολύ πρώτα στάδια και η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στην εξεύρεση τρόπων ώστε τα κάτομα να συνδέονται πιο σταθερά μεταξύ τους διατηρώντας ωστόσο τη δυνατότητα να αποχωρίζονται. Για το μέλλον οι δυνατότητες κυμαίνονται από αλυσίδες που μεταμορφώνονται κατ΄ εντολήν σε τραπέζι ή βιβλιοθήκη ως μια μορφή βιντεοδιάσκεψης όπου ένα ρεαλιστικό αντίγραφο του συνομιλητή σας θα βρίσκεται στο δωμάτιο ενώ κάνετε chat on line.

AΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΕΡΑΧΕΡΤΖ
Μετά το Χ ακολουθεί το Τ
Σαρώστε από την περιοχή του ορατού φωτός προς τα μεγαλύτερα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και θα βρείτε, στριμωγμένη ανάμεσα στα μικροκύματα και τις υπέρυθρες, έναν τύπο ακτινοβολίας που ως τώρα δεν είχατε προσέξει: τις ακτίνες τεραχέρτζ ή ακτίνες Τ. Οι προοπτικές μας αλλάζουν καθώς αποκτούμε την τεχνολογία να την παράγουμε και να τη χειριζόμαστε εύκολα. Οπως οι ακτίνες Χ, οι ακτίνες Τ μπορούν να διαπεράσουν τα ρούχα και το δέρμα, χωρίς όμως τις βλαβερές παρενέργειες που συνδέονται με την παρατεταμένη έκθεση στην ακτινοβολία Χ. Οι δονητικές και περιστροφικές ενεργειακές καταστάσεις πολύπλοκων μορίων μπορούν επίσης να εξετασθούν με μοναδικό τρόπο με τις τεραχέρτζ. Αν βομβαρδίσετε ένα υλικό με ακτίνες Τ το πρότυπο απορρόφησης και εκπομπής θα σας επιτρέψει να ανιχνεύσετε τα πάντα, από ναρκωτικά ως εκρηκτικά. Οι πρώτες συσκευές ανίχνευσης πλήρους σώματος για χρήση στα αεροδρόμια ήδη ετοιμάζονται- με άφθονες διαβεβαιώσεις ότι οι αποκαλυπτικές εικόνες δεν πρόκειται ποτέ να δοθούν στη δημοσιότητα.

ΓΡΑΦΕΝΙΟ
Επίπεδο στο μέλλον
Τα πάντα στον τρισδιάστατο κόσμο μας έχουν πλάτος, μήκος και ύψος. Ετσι τουλάχιστον νομίζαμε. Αυτή η αντίληψη όμως παραβλέπει μια ολόκληρη κατηγορία υλικών: κρυστάλλους πάχους ενός ατόμου ή μορίου, ουσιαστικά δισδιάστατα επίπεδα ατόμων κομμένα σαν φέτες από συμβατικούς κρυστάλλους.
Τα υλικά αυτά αποδεικνύονται θαυματουργά. Δείτε ως παράδειγμα το γραφένιο, τις μεμονωμένες στρώσεις ατόμων άνθρακα σε κυψελωτά πλέγματα που οι συνάδελφοί μου και εγώ απομονώσαμε για πρώτη φορά το 2004. Το γραφένιο είναι πιο δυνατό και σκληρό από το διαμάντι και παρ΄ όλα αυτά μπορεί να τεντωθεί κατά ένα τέταρτο του μήκους του σαν το λάστιχο. Η έκταση της επιφάνειάς του είναι η μεγαλύτερη που γνωρίζουμε σε σχέση με το βάρος του.
Παρ΄ ότι είναι τόσο λεπτό είναι αδιαπέραστο. Είναι καλύτερος αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού από τον χαλκό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τρανζίστορ ταχύτερων από αυτούς που κατασκευάζονται από πυρίτιο. Προσφέρει τη δυνατότητα πειραμάτων με κβαντικά σωματίδια υψηλών ταχυτήτων τα οποία οι ερευνητές στο CΕRΝ βλέπουν μόνο στα όνειρά τους.
Με έναν τέτοιο συνδυασμό ιδιοτήτων οι ελπίδες για αυτά που μπορούμε να επιτύχουμε με το γραφένιο είναι μεγάλες. Οι αισιόδοξοι λένε ότι μπαίνουμε σε μια εποχή του άνθρακα. Ακόμη και οι απαισιόδοξοι αντιτάσσουν μόνο ότι οι επιπτώσεις ίσως είναι λίγο μικρότερες.

ΑNDRE GEIM Ο κ. Αντρέ Γκέιμ είναι ένας εκ των βραβευθέντων με το Νομπέλ Φυσικής για το 2010. Εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.
http://www.tovima.gr/default.asp?pid=2&ct=33&artId=375754&dt=31/12/2010