В конце 2023 года учёные из Массачусетского технологического института (MIT) буквально огорошили научный мир, открыв явление испарения воды без нагрева. Бесчисленные века человечество видело туманы, облака, дымку и прочее, что позже учёные связали с процессами испарения при нагреве воды. Но оказалось, что при испарении важна не только температура, но и сам свет (фотоны), который способен испарять воду и даже эффективнее, чем нагрев. И это оказалось важным.

Источник изображения: Bryce Vickmark/MIT

На днях в журнале PNAS вышла статья исследователей из MIT, которые продолжили эксперименты с «фотомолекулярным эффектом», как они назвали открытое явление. Учёные провели 14 опытов, доказывающих и проясняющих ряд моментов воздействия света на воду, в ходе которого молекулы воды отрывались от её поверхности и превращались в пар. Например, ещё в прошлом году было замечено, что наиболее сильное воздействие на эти процессы — на отрыв кластеров молекул воды от её жидкой поверхности — оказывал зелёный свет. В новых опытах учёные изменяли наклон освещения и поляризацию света.

Исследования показали, что сильнее всего испарение шло при освещении под углом 45°. Поляризация также оказывала влияние на интенсивность испарения, но этот момент ещё предстоит уточнить. Самое забавное, что учёные пока не понимают до конца, как объяснить данное явление, при котором зелёный свет под углом 45° начинает интенсивно поглощаться водой в состоянии пара и приводить к ощутимому эффекту испарения жидкой воды.

Лабораторные установки исключали всякую передачу тепла пару или воде, обеспечивая освещение светодиодами. Тем не менее, испарение при освещении воды светом начиналось и продолжалось, пока был свет. В темноте явление отсутствовало.

Собственно говоря, климатологи давно ломали копья в спорах о степени поглощения света облачной массой Земли и о влиянии всего этого на климат планеты. Данные были противоречивы и демонстрировали заметные расхождения между наблюдениями и моделями. С открытием фотомолекулярного эффекта всё может встать на свои места. Модели обретут недостающие контуры и будут соответствовать наблюдениям, а понимать эти процессы не просто важно, а принципиально необходимо, ведь на этом строится климатическая повестка со всеми вытекающими.

Наконец, открытие испарения без нагрева — это путь к новым и эффективным опреснителям и технологическим процессам сушки при производстве всего: от продуктов до древесины, бумаги и даже электродов литиевых аккумуляторов. Учёные, кстати, уже начали получать запросы на разработку фотомолекулярных сушилок от тех или иных представителей промышленности. Так что дело может быстро набрать ход.

Инженеры с Факультета электротехники и информатики (EECS) в Массачусетском технологическом институте решили наделить роботов «здравым смыслом» при помощи большой языковой модели искусственного интеллекта. Исследователи уверены, что это сделает роботов по-настоящему полезными в работе по дому.

Источник изображения: mit.edu

Современные роботы достаточно эффективно программируются выполнять конкретные задачи в пределах своих физических возможностей, и они будут благополучно это делать, пока не изменятся внешние условия. С неожиданностями роботы справляться не умеют, поэтому Boston Dynamics пришлось так постараться для разработки машин, способных удерживать равновесие. Для преодоления этой проблемы инженеры Массачусетского технологического института связали физические движения роботов с моделями ИИ, которые используются для генерации контента.

Они применили подход, позволяющий роботу разбивать задачи на подзадачи. Осуществляя действия шаг за шагом, он приспосабливается к неожиданным событиям, не начиная заново. Это значит, что инженерам даже не придётся программировать роботов с исправлениями, учитывающими все непредвиденные обстоятельства. Большие языковые модели обращаются к собственным библиотекам данным для генерации слова, изображения, компьютерного кода или любого другого поддерживаемого контента. В этом проекте слова заменили подзадачами.

Технологию испытали на роботизированной руке-манипуляторе, которой дали задачу перекладывать шарики из одной миски в другую. Большая языковая модель помогла разбить эту задачу на несколько подзадач, сопоставив их с движениями робота. Исследователи позволили выполнить её, и когда робот усвоил основы выполнения задачи, инженеры начали ему «мешать», смещая манипулятор. При работе на основе традиционного алгоритма машине пришлось бы возвращаться к известной отправной точке, чтобы продолжить выполнение задачи, но ИИ-модель помогла ему определять собственное положение в любых условиях и продолжать работу с того места, где он остановился.

Авторы проекта уверены, что это поможет в создании домашних помощников, способных адаптироваться к окружающей среде и справляться с внешними трудностями — человеку не придётся программировать робота на все случаи жизни, ведь он сможет обучаться самостоятельно посредством модели ИИ.

В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.

Источник изображений: MIT

Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.

До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.

«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.

Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.

В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.

Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.

Химики Массачусетского технологического института за несколько лет работы по заказу компании Lamborghini создали перспективный материал для катодов, который может вытеснить кобальт из литиевых аккумуляторов. Новые аккумуляторы сэкономят до 70 % стоимости производства литиевых аккумуляторов, и будут содержать меньше дефицитных и вредных химических веществ. При этом они будут не хуже обычных батарей и даже лучше.

Источник изображения: MIT

Новое пустое обещание, скажите вы? Сколько было этих батарей — не перечесть. Тем не менее, Lamborghini получила патент на изобретение и намерена изучить вопрос производства перспективных аккумуляторов.

Судя по всему, от электрификации транспорта никто не собирается отказываться. В то же время ресурсы нашей планеты ограничены, и выпускаемые по современным технологиям аккумуляторы рано или поздно начнут испытывать дефицит по поставкам сырья. Кроме того, стратегическое для выпуска литиевых батарей сырьё добывается, преимущественно, в зонах социальной напряжённости в Африке. Прежде всего, это касается добычи кобальта, которая также уничтожает экологию вокруг шахт.

Использование кобальта и никеля в катодах литийсодержащих батарей позволяет поддерживать высокую ёмкость и плотность энергии в аккумуляторах. Многократные попытки заменить их другими материалами особыми успехами не увенчались. По крайней мере, дальше лабораторных проектов дело не пошло. Ещё сложнее оказалось заменить эти металлы органическими соединениями. Высокая способность органических веществ растворяться в электролитах сильно сузила выбор. Наконец, связующие органические вещества полимеры занимали дефицитное место в составе электродов батарей и тем снижали их ёмкость.

По утверждению команды MIT во главе с профессором Мирчем Динкэ (Mircea Dincă), учёным удалось подобрать для катодов литийсодержащих аккумуляторов как органический материал с высокой пропускной способностью по току и ёмкости, так и связывающий органику полимер, которого понадобилось совсем немного.

«Я думаю, что этот материал может оказать большое влияние, потому что он действительно хорошо работает, — сказал Мирча Динкэ. — Разработка уже конкурентоспособна по сравнению с существующими технологиями, и это может значительно снизить затраты, страдания и экологические проблемы, связанные с добычей металлов, которые в настоящее время идут в аккумуляторы».

Новый материал для катодов состоит из множества слоёв бис-тетраамин бензохинона (TAQ). По своей организации это вещество напоминает графит — популярный для изготовления электродов материал. Внутри кольцеобразных молекул этого вещества помещаются хиноны и амины. Хиноны накапливают электроны, а амины создают прочные водородные связи, что препятствует растворению вещества катодов в электролите.

Испытания этого материала показали, что его проводимость и ёмкость в составе аккумулятора сравнимы с проводимостью традиционных кобальтосодержащих аккумуляторов. Кроме того, аккумуляторы с TAQ-катодом могут заряжаться и разряжаться быстрее, чем существующие аккумуляторы, что может ускорить скорость зарядки электромобилей.

Редакция журнала MIT Technology Review Массачусетского технологического института составила список из 10 наиболее важных технологий, которые сильнее всего повлияют на жизнь и деятельность человечества в 2024 году. В этом им можно доверять. Учёные MIT сами погружены во многие прорывные научные процессы и если не возглавляют их, то идут в первых рядах.

Источник изображений: MIT Technology Review

На первое место в предсказании выведен искусственный интеллект для всего. Миллиарды людей уже познакомились с ChatGPT и другими большими языковыми моделями, а также с десятками специализированных нейросетей. Всего за год с небольшим они изменили мир, насытив информационное пространство умными помощниками для подсказок, составления текстов, рисования и создания видеоряда. Можно не сомневаться, что взрывной интерес к ИИ и продуктам на его основе, а также развитие этих продуктов, будет стремительно продолжаться весь 2024 год.

Вторую позицию по важности для всех нас специалисты MIT оставили за сверхэффективными солнечными фотоэлементами. Солнечная энергия уже прочно утвердилась на Земле и в некоторых регионах даже бросила вызов ископаемым источникам получения энергии, например, превысив долю в 50 % в энергетике Китая. Чего не хватает фотовольтаике — так это роста КПД. Сегодня массовые фотоячейки работают в районе 20 % КПД, а хотелось бы большего. В MIT считают, что в 2024 году фотоячейки с перовскитом начнут своё распространение и обеспечат повышение эффективности коммерческим солнечным панелям.

Третье место в списке потенциально прорывных вещей 2024 года специалисты отдали гарнитуре Apple Vision Pro. Поставки новинки ценой $3500 стартуют 2 февраля. Это не первая попытка вывести в люди гарнитуру смешанной реальности. Будет ли она встречена на ура или канет в небытие — скоро мы это узнаем. Обещаний дано много. Однако без широкой программной поддержки и массы полезных и ценных приложений гарнитура мало чего будет стоить, а по карману она будет далеко не каждому.

На здоровье широких масс населения обещают оказать решительное влияние разработки, поставленные на четвёртое место. Это препараты, спасающие от ожирения. Всемирная организация здравоохранения назвала глобальный рост ожирения эпидемией. Новые лекарства, такие как Mounjaro и Wegovy уже показали свою эффективность против этого «недуга». Более того, у них обнадёживающее побочное влияние — есть данные, что эти препараты могут даже защитить от сердечных приступов и инсультов. Несомненно, готовы появиться и другие подобные препараты, что поможет охватить больше людей и помочь им.

На пятом месте разместились новейшие технологии по использованию геотермальной энергии. Тепло недр Земли используется не первое десятилетие, но все задействованные методы и инструменты — это лишь первое касание возможностей. Очевидно, что более сложные методы бурения и прокладки труб помогут получать тепло и энергию даже там, где раньше это считалось невозможным.

Чиплеты тоже попали в список наиболее прорывных технологий нового года. Наши читатели наверняка знают о них не меньше специалистов MIT. На нашем сайте регулярно публикуются новости и материалы на тему сборки больших чипов и процессоров из нескольких кристаллов меньшего размера. Это позволяет относительно простыми средствами увеличить функциональность процессоров и продолжить работу закона Мура. В ближайшем будущем чиплеты — это единственный путь создавать всё более мощные и сложные решения.

Седьмая прорывная разработка — это создание «лекарства» на основе редактирования генов. В конце 2023 года подобное лекарство впервые было разрешено к использованию на людях в полном объёме. Прорыв совершила компания Vertex, получившая разрешение на использование своих «генетических ножниц» для лечения серповидно-клеточной анемии и трансфузионно-зависимой бета-талассемии. За этим шагом последуют другие, благо технология доказала свою работу и эффективность.

Продолжение масштабирования суперкомпьютеров тоже попало в список прорывных технологий. На самом деле это проблема. Современные системы потребляют настолько много энергии и так сложны в управлении, что дальнейшее масштабирование производительности — это довольно нетривиальная задача во всех смыслах. Но мы смогли! Суперкомпьютеры преодолели планку в один эксафлопс и устремились в будущее, в котором моделирование климата, ядерных реакций и многого другого будет проводиться быстрее и с меньшими затратами.

Тепловые насосы признаны девятой важнейшей технологией, которая поможет человечеству оставаться в комфорте и не загрязнять мир. Это почти кондиционеры, но работающие несколько по другому принципу. За счёт электрической энергии тепловые насосы могут обогревать помещения с минимальными затратами энергии даже в лютый мороз. Продажи тепловых насосов выросли по всему миру, а в США они впервые превзошли газовые печи. Интересно, что в Германии всякое новое жилище с прошлого года по закону должно отапливаться электрическим тепловым насосом. Сюрпризом стало повышение оплаты за такие услуги на 15 % с января 2024 года. Так что компромиссы ещё искать и искать.

Десятым важным фактором влияния на жизнь в 2024 году в MIT считают вероятное появление множества конкурентов у социальной сети X (бывшей Twitter). По мнению специалистов, купивший эту социальную сеть Илон Маск проявил себя деспотом и безответственным руководителем, что отпугнуло пользователей и рекламодателей. Поэтому центральное место этой сети в мире социальных сетей фактически разрушено и готово появиться множество её «убийц», например, в лице уже запущенных сетей Bluesky и Threads.

Инженеры Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) при Массачусетском технологическом институте (MIT) предложили технологию PhotoGuard, которая усложняет изменение изображений при помощи алгоритмов искусственного интеллекта.

Слева направо: исходное изображение, отредактированное изображение без защиты, отредактированное изображение с защитой «кодировщик», отредактированное изображения с «диффузионной» защитой. Источник изображения: MIT

Основанные на ИИ генераторы изображений Dall-E и Stable Diffusion — это лишь начало новой эпохи обработки графики. ИИ может не только генерировать новые картинки, но и с высоким качеством редактировать существующие, открывая простор для потенциальных злоупотреблений в виде дипфейков. Инженеры MIT CSAIL предложили технологию PhotoGuard, способную помочь защититься от подобных инцидентов.

Технология включает два метода атак на алгоритмы ИИ: «кодировщик» (encoder) и «диффузия» (diffusion). Первый метод добавляет скрытое представление защищаемого изображения — технология особым образом изменяет отдельные пиксели на картинке и не позволяет ИИ распознать содержимое картинки, а значит, блокирует для него возможность её отредактировать.

Второй, более продвинутый и ресурсоёмкий метод «диффузионной» атаки маскирует в «глазах» ИИ одно изображение под другое. В результате ИИ пытается изменить лишь ту картинку, которую он «видит», но не трогает исходную, в результате чего генерируемое им изображение выглядит нереалистично.

Инженеры из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) при Массачусетском технологическом институте (MIT) продемонстрировали платформу PIGINet (Plans, Images, Goal, Initial Facts — «планы, изображения, цели и исходные факты»), предназначенную для навигации и планирования задач домашних роботизированных систем.

Источник изображения: MIT CSAIL

Человеческое жилье представляется роботу довольно сложной средой — машины лучше ориентируются на складах и в производственных цехах с их более простой навигацией и строгой организацией пространства. А для успешного выполнения задач большинству роботов необходим план помещения. Ситуация осложняется тем, что жилища могут значительно отличаться друг от друга, а интерьеры в них ещё и динамичны — люди любят переставлять мебель и разбрасывать вещи. Самыми распространёнными бытовыми роботами являются пылесосы, но и они, отработав не одно десятилетие на рынке, продолжают совершенствоваться.

Подспорьем в решении проблемы обещает стать платформа PIGINet, в основе которой лежит универсальный кодировщик-трансформер, предназначенный для обработки последовательностей данных. «Входящей последовательностью в данном случае является информация о том, какой план задач рассматривается, изображения среды, символьные кодировки исходного состояния и желаемая цель. Кодировщик объединяет планы задач, изображения и текст, чтобы составить прогноз относительно выполнимости выбранного плана задач», — пояснили авторы проекта механизм работы модели.

В существующей версии система преимущественно ориентирована для работы на кухне. Она моделирует рабочую среду и создаёт планы объектов, включающие в себя стойки, шкафчики, холодильник, раковины и т. д. По словам разработчиков, в большинстве случаев система позволяет сократить время планирования задач на 80 %, а в более сложных случаях это 20–50 %. В перспективе, говорят создатели PIGINet, система при выявлении невыполнимых задач должна научиться предлагать альтернативные сценарии — это в корне изменит процесс обучения роботов и механизмы их использования в каждом доме.

У электрической авиации проблемы не только с аккумуляторами. Мощные и лёгкие электрические двигатели тоже остаются предметом мечтаний авиационных конструкторов. Свой вариант решения этой проблемы предложили инженеры из Массачусетского технологического института. Электродвигатель MIT обещает мощность 1 МВт при собственном весе около 58 кг. С таким решением электрическая авиация взлетит в прямом и в переносном смысле этого слова.

Источник изображения: Airbus

Согласно расчётам NASA, удельная мощность электрических двигателей для среднемагистральных самолётов и, в целом, для самолётов большой грузоподъёмности должна быть не ниже 13 кВт/кг. Представленный инженерами MIT двигатель обещает удельную мощность 17 кВт/кг, что существенно лучше рекомендаций NASA. К сожалению, в готовом собранном виде нового двигателя пока нет. Разработчики пока испытали лишь отдельные его компоненты.

Конструктивно новый двигатель — это как бы вывернутый наизнанку классический электрический двигатель. Его ротор находится не внутри статора, а окружает его. В основе ротора лежит барабан из титана, по внутренним стенкам которого закреплены постоянные магниты. Статор у нового двигателя — это стальной цилиндр с шипованной поверхностью. Он помещается внутрь ротора, а обмотка ложится на шипы особенным образом.

Токами в обмотке управляет сложная силовая электроника из 30 изготовленных на заказ «печатных плат». Синхронизированная с вращением барабана подача токов в обмотки позволит разгонять двигатель до рекордных оборотов. Подобная конструкция позволила избежать изготовления массивных ротора и статора и кратно облегчила вес двигателя.

Источник изображения: MIT

Также оригинально спроектирована система отвода тепла от статора. Статор закреплён на теплоотводе со множеством сквозных отверстий. С торца они выглядят как соты и лучше всего такой узел напечатать на 3D-принтере. Вращение ротора создаёт поток воздуха в объёме двигателя и выбрасывает его наружу. Представленный двигатель будет выделять на полной мощности 1 МВт около 50 кВт тепла. Утверждается, что предложенное решение сможет отводить от двигателя столько же тепла, как «от 500 100-Вт ламп накаливания в объёме небольшого пивного бочонка».

Если подобные электрические двигатели будут доступны авиационным конструкторам, то это изменит ландшафт авиации будущего. Полностью электрические самолёты могут получить совершенно иной дизайн. Например, вместо пары больших и мощных двигателей они смогут опираться в полёте на несколько небольших двигателей на передних кромках крыльев или даже на фюзеляже. Более того, это время может наступить гораздо раньше появления сверхъёмких аккумуляторов. В этом помогут гибридные системы с питанием от водородных или аммиачных ячеек. Для реализации этой истории не хватало электрического двигателя и теперь он очень близок к появлению.

Футбол является динамичной игрой, неплохо подходящей для тренировки роботов, да и соревнования между машинами получаются зрелищными, так что они проводятся с 1990-х годов, как, например, RoboCup. В подобных состязаниях обычно участвуют двуногие роботы, однако в Массачусетском технологическом институте (MIT) создали робособаку DribbleBot и научили играть в футбол.

Источник изображения: MIT CSAIL

DribbleBot создан с прицелом на использование в разных средах — он способен перемещаться по разным ландшафтам, сохраняя устойчивость на снегу, песке, в грязи и на траве. Благодаря этому, система получает возможность обучаться футболу с дополнительным уровнем сложности.

По словам исследователей из MIT, ранее разработчики упрощали проблему, рассматривая ведение мяча на ровной твёрдой поверхности. Кроме того, речь шла только о поочерёдных беге и манипуляциях с мячом. Благодаря последним технологическим достижениям, команда Improbable Artificial Intelligence Lab, входящая в состав занимающейся ИИ лаборатории Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), создала более сложную систему, позволяющую одновременно бежать и управлять мячом.

Робот действительно способен работать в траве, в песке, на гравии, в грязи и снегу. Залогом успешного обучения является многократное повторение циклов — там, где реальный робот выполняет один проход, его цифровой двойник в то же время параллельно совершает 4 тыс. в виртуальном пространстве. В конечном счёте речь идёт не только и не столько о применении четвероногого робота для игры в футбол. Учёные хотят научить роботов ходить где угодно.

Можно не сомневаться, что осваивать Солнечную систему и исследовать новые миры в основном будут автоматические системы и многочисленные роботы. Это заставляет создавать роботов как универсальные платформы с возможностью простой модификации, чтобы была возможность решать как можно более широкий круг задач. Для этого отдельные детали роботов и особенно конечности должны быть гибкими и по назначению, и по сути, а лучшей моделью для этого оказались земляные черви.

Источник изображений: MIT

В процессе создания универсальной роботизированной платформы для космических программ группа исследователей из Массачусетского технологического института придумала концепцию модульного шагающего робота WORMS (Walking Oligomeric Robotic Mobility System), ноги которого имели бы подвижные сочленения подобно телу червей. Также благодаря продуманным креплениям с использованием штифтов ноги, а в более широком смысле конечности, могут быстро крепиться к шасси и так же просто сниматься и заменяться на другие функциональные элементы без использования специальных инструментов.

Как объясняют разработчики, сегодня это платформа для переноса тяжестей с одного места на другое, например, на Луне, а завтра робот с изменённой конфигурацией отправится бурить скважины в лавовые трубки. Для одной и другой задачи понадобятся одинаковые базовые элементы и немного различающийся набор конечностей. При этом возможность конструктора будет подкреплена гибкостью конечностей, сочленения и конструкцию которых совершенствуют в MIT.

Инженеры института создали и испытали два прототипа шасси WORMS, один из которых был способен перемещаться сам, транспортируя собственный немалый вес около 120 кг с помощью шести гибких ног, а второй мог нести полезную нагрузку до 400 кг. Прототипы были продемонстрированы на одной из тематических конференций IEEE, где разработчики показали возможность простой сборки и изменения в конфигурации робота буквально на коленке без применения специальных инструментов. Для отдалённых космических баз — это лучшее решение.

Команда Массачусетского технологического института (MIT) обосновала выгоды извлечения углекислого газа из морской воды, а не из атмосферы. Данные исследования изложены в работе в журнале Energy & Environmental Science. Практическая демонстрация предложенной технологии будет проведена в течение следующих двух лет. Если всё получится, в мире появится новый вид бизнеса — извлечение CO₂ из морей и океанов на коммерческой основе и без субсидий.

Источник изображения: MIT

Согласно данным МЭА (International Energy Agency) за 2022 год, самые эффективные технологии улавливания углекислого газа из атмосферы требуют около 6,6 ГДж энергии или 1,83 МВт•ч на тонну уловленного CO₂. Значительная часть затраченной на это энергии идёт на поддержание рабочих температур абсорбентов или для работы компрессоров, сжимающих воздух до эффективных величин давления.

По некоторым оценкам, к 2030 году стоимость улавливания тонны CO₂ будет лежать в пределах от $300 до $1000. Сегодня самый высокий налог на выбросы углекислого газа взимается с промышленников Уругвая: $137 за тонну. Эта сумма не покрывает и долго не будет покрывать затраты на извлечение CO₂ из атмосферы, но с морской водой всё может быть иначе, уверены в MIT.

Углекислый газ выгоднее извлекать из морской воды хотя бы потому, что его концентрация там в 100 раз больше, чем в воздухе. Океаны и моря являются естественными абсорбентами CO₂. Утверждается, что морские воды поглощают 30–40 % от ежегодных выбросов углерода человечеством. Ранее были предложены способы извлечения углекислого газа из воды, но они требовали либо дорогих мембран для фильтрации, либо постоянной подачи химических реагентов.

В предложенной учёными MIT системе морская вода проходит через две камеры. В первой камере пропущенный по электродам ток насыщает жидкость протонами и подкисляет её, превращая растворенные неорганические бикарбонаты в углекислый газ. В камере с вакуумом происходит дегазация жидкости и извлечение углекислого газа. Во второй камере обратная полярность на электродах заставляет протоны оседать на электрических контактах и это подщелачивает воду, после чего её сбрасывают в океан.

По мере истощения электродов в первой камере и насыщения ими протонами во второй полярность приложенного напряжения в камерах меняется и воду с тем же результатом можно прокачивать в обратной последовательности — забирать второй камерой и выбрасывать из первой — с тем же эффектом извлечения CO₂. Затем процесс снова повторяется в обратной последовательности. В конечном итоге это приводит к загрязнению электродов осадочными минералами, но это решаемая проблема.

Наконец, предложенный процесс позволяет возвращать в океан воду с щелочным балансом, что будет хорошо для экологии. Океан закисляется — это уже привело, например, к гибели коралловых рифов и ряда морской живности.

Учёные не скрывают, что для реализации проекта придётся ещё много работать. Готового проекта по предложению нет, но это всё решаемые задачи и бояться их нечего. В конечном итоге учёные надеются снизить стоимость извлечения углекислого газа из морской воды до $56 за тонну или около того. Это станет толчком к коммерциализации данного направления.

Всё идёт к тому, что закон Мура скоро закончит своё действие, поскольку наука и промышленность подошли к границе, дальше которой транзистор уменьшать нельзя. Во всяком случае, это нельзя делать на кремнии. Другое дело новый класс двумерных материалов атомарной толщины, который может позволить продлить работу закона Мура. В MIT уверяют, что нашли способ массового выпуска таких материалов.

Источник изображения: MIT

До сих пор производство двумерных материалов было фактически ручной работой в процессе отшелушивания слоёв, осаждённых на специальные подложки. Размеры плёнок варьировались, как и их качество, а вырастить монокристаллическую структуру на кремнии вообще представлялось невозможным. Идеальных для выращивания двумерных материалов сапфировых подложек на все задачи не напасёшься и, к тому же, это не везде применимо.

«Но никто не использует сапфир в индустрии памяти или логики, — говорит один из ведущих авторов исследования. — Вся инфраструктура основана на кремнии. Для обработки полупроводников необходимо использовать кремниевые пластины». Учёные из Массачусетского технологического института и их коллеги из других университетов США и Южной Кореи решили эту проблему.

Исследование показало, что идеальные монокристаллические двумерные материалы можно вырастить на обычной промышленной кремниевой подложке методом «неэпитаксиального, монокристаллического роста». Для этого на кремниевую пластину нанесли маску, разделив её на отдельные «карманы», после чего провели обычную процедуру осаждения материала из газовой фазы. Выяснилось, что в каждом кармане сформировалась идеально ориентированная монокристаллическая среда толщиной в один атом.

Для пробы учёные создали транзистор на одном из таких карманов, и он работал. Более того, поверх уже созданной тончайшей плёнки можно ещё раз нанести маску и осадить атомарный слой другого материала, что ведёт к появлению многослойных структур из 2D-материалов. Подчеркнём, всё это возможно на обычных кремниевых пластинах.

«Мы ожидаем, что наша технология может позволить разработать высокопроизводительные электронные устройства нового поколения на основе двумерных полупроводников, — уверяют исследователи. — Мы открыли способ догнать закон Мура, используя двумерные материалы».

Исследователи из Массачусетского технологического института, Университета Миннесоты и компании Samsung разработали новый вид терагерцовой камеры, которая может быстро и с высокой чувствительностью обнаруживать терагерцевое излучение при комнатных условиях. В перспективе это приведёт к появлению ручных сканирующих устройств, для которых буквально не будет стен, и они выведут на новый уровень системы безопасности, контроля продукции и т.д.

Источник изображения: MIT

Современное оборудование для регистрации терагерцевого излучения громоздкое и дорогое. Энергия терагерцевых фотонов настолько слабая, что для их выделения из шума требуются специальные условия с охлаждением датчиков до криогенных температур. Такое недорогим не может быть по определению. В то же время терагерцевое излучение может найти массу применений в промышленности, науке и жизни людей, если создать недорогое массовое устройство для работы с этим диапазоном волн, который лежит между видимым и микроволновым диапазоном. Разработка американских инженеров с участием специалистов Samsung приближает это событие.

Созданный инженерами в лаборатории прототип недорогой терагерцовой камеры работает при комнатной температуре и обычном давлении. Более того, он простым образом преобразует терагерцевое излучение в видимое. Секрет разработки кроется в квантовых точках, которые компания Samsung и другие производители дисплеев широко используют при производстве телевизоров и мониторов. Терагерцевые фотоны возбуждают квантовые точки, а они, в свою очередь, легко детектируются обычным датчиком изображения в видимом диапазоне.

Предложенный учёными датчик терагерцевого излучения представляет собой бутерброд: в нижнем слое лежит массив параллельно расположенных золотых наноразмерных линий с узкими щелями между ними, выше расположен массив с квантовыми точками, а ещё выше помещён обычный КМОП-датчик изображений. Подобную конструкцию легко изготовить на современном оборудовании, что обещает массовость и дешевизну.

Более того, учёные создали другой тип датчика терагерцевого излучения, который определяет поляризацию терагерцевых волн при прохождении препятствия. Поляризация, например, нужна для определения характера и топологии поверхности материала, а также даёт возможность распознать определённый вид молекул в материале. Чтобы различать поляризацию новым методом в датчике золотые нанополоски в нижнем слое детектора заменили на золотые наноокружности.

Обе технологии успешно работают в лаборатории и даже дают практический результат. Теперь учёным не нужны дорогие терагерцовые сканеры для проведения экспериментов. С такой работой вполне справляется созданный «на коленке» прототип. И всё бы хорошо, но остаётся проблема подсветки. Сегодня для этого используются системы из множества лазерных источников, что тоже сложно и дорого. Эту проблему учёные обещают решить на следующем этапе экспериментов. Если у них всё получится, мир получит новые средства неразрушающего контроля продукции, сканеры безопасности, дистанционные анализаторы молекулярного состава, ускоренную беспроводную связь и многое другое, ключом к чему станут массовые детекторы терагерцевого диапазона.

Традиционно полупроводниковая литография создаёт чипы сверху вниз по мере протравливания подложки всё глубже и глубже. Это удобно, но сильно ограничивает детализацию на самом глубоком уровне. Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) предложила строить чипы наоборот — начиная от мельчайшего нанокирпичика на чистой подложке до готовых к работе сложных наноструктур, что должно улучшить характеристики электроники.

Источник изображения: MIT

В определённой степени предложенный техпроцесс представляет собой штамповку в виде переноса рабочего материала по шаблону на кремниевую подложку. Такие методы уже используются, но имеют один серьёзный недостаток: кремний и чип загрязняются либо деформируются, что ведёт к повышению уровня заводского брака, поскольку в процессе переноса для закрепления «строительного» материала на подложке используется клей, отжиг или высокое давление.

Исследователи из MIT пошли по иному пути. Они смогли расчётливо распорядиться атомными и молекулярными силами, которые закрепили наночастицы на поверхности кремниевой подложки лучше всякого клея. Строго говоря, учёные задействовали два типа явлений — капиллярное движение жидкостей и силы Ван-дер-Ваальса.

Наночастицы строительного материала в виде кубиков со сторонами 50 нм в капле жидкости наносились на шаблон, после чего происходил процесс равномерного распределения нанокирпичиков по шаблону. Этому способствовали капиллярные явления. Затем рисунок каждого слоя (шаблон) переносился на произвольную подложку, например, кремниевую. Жидкость также способствовала переносу рисунка из наночастиц на подложку. Когда она высыхала, наночастицы продолжали удерживаться на подложке, но уже за счёт другого явления — за счёт силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы оказываются достаточно надёжным «цементом» (действуя на границе раздела подложки и наночастицы), чтобы рисунок намертво прилипал к подложке с точностью до каждой наночастицы.

«Эти силы повсеместно распространены и часто могут быть губительными при изготовлении наноразмерных объектов, поскольку они могут привести к разрушению структур. Но мы можем придумать способы очень точного управления этими силами, чтобы использовать их для управления манипуляциями на наноуровне», — заявил один из авторов исследования.

При таком переносе наночастиц уровень брака снижается до менее 5 %, сообщают учёные. Поверхность подложки остаётся нетронутой: никакие растворители и клеи не используются, что повышает чистоту производства. В перспективе предложенное решение поможет создавать электронные компоненты нанометровых размеров с высочайшей степенью детализации и точности, что наверняка улучшит работу полупроводниковых приборов.

Группа американских инженеров разработали прототип электронного пластыря с беспроводным доступом, в составе которого нет ни микросхем, ни источников питания. Разработка позволяет создавать крайне комфортные носимые датчики слежение за состоянием здоровья людей. Такие датчики не нуждаются в проводном подключении и не зависят от громоздких батарей, контроллеров и передатчиков.

Источник изображения: MIT

В основе разработки лежит работа американских учёных по выращиванию бездефектных сверхтонких плёнок из нитрида галлия. Технология позволяет выращивать чистейшие монокристаллические полупроводниковые плёнки на подложке из графена и потом без особых проблем отслаивать их для дальнейшего использования.

Нитрид галлия характеризуется пьезоэлектрическими свойствами. Он может как вырабатывать электрический сигнал в ответ на деформацию, так и совершать механические колебания в ответ на электрические импульсы. Для усиления электрического сигнал учёные нанесли на поверхность нитрида галлия тончайшую «сеточку» из золота. Толщина элемента составила 250 нм, что примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса.

Представленные датчики как пластырь наклеиваются на кожу. Их чувствительности оказалось достаточно, чтобы вибрировать в ответ на сердцебиение человека, а также реагировать на соль в его поте. Вибрации материала генерируют электрический сигнал, который может быть считан бесконтактным образом расположенным рядом приёмником. Иными словами, устройство смогло передавать сенсорную информацию по беспроводной связи без использования чипа или батареи.

Приклеенный к коже датчик имеет собственную «резонансную» частоту вибраций. Одновременно эти вибрации преобразовываются в электрический сигнал, частоту которого может регистрировать беспроводной приемник. Любое изменение состояния кожи, например, ускорение сердечного ритма, повлияет на механические колебания датчика и электрический сигнал, который он автоматически передает на приемник. Точно также устройство реагирует на изменения в химическом составе пота. Меняя датчики биомаркеров, можно следить за широким спектром параметров состояния человека.

«Если есть какие-либо изменения в пульсе, или химические вещества в поте, или даже ультрафиолетовое облучение кожи, все эти действия могут изменить картину поверхностных акустических волн на плёнке нитрида галлия, — отмечают авторы исследования. — И чувствительность нашей плёнки настолько высока, что она может обнаружить эти изменения».