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美开发出自我修复电子芯片 研制出负折射率等离子纳米天线


http://www.sciencehuman.com   科学人  网站  2011-12-31

 

美国科学家开发出自我修复电子芯片

  本报讯 据英国广播公司(BBC)近日报道,美国伊利诺伊大学香槟分校的科学家们表示,他们已经研制出了一种新电路,能在崩溃时通过释放液体金属,恢复电路的导电性从而修复自身,科学家们未来可据此研制出能自我修复、因此寿命更长的电子芯片和电子设备,也有望解决星际旅行面临的大问题。相关研究发表在《先进材料》杂志上。

  科学家们解释道,他们的构想是:利用最初导致芯片破损的压力“砸开”一个装载有修复材料的微胶囊,让释放出的修复材料填充在破损导致的缝隙中,让电流重新恢复工作。

  为了测试这一想法,他们在玻璃上刻上了金线图案以形成一个电路。接着,他们采用了两种方法,一是将0.01毫米宽的微胶囊直接放在金线上;另一种则是将一块纤细的薄片加入0.2毫米的微胶囊中,随后将其嵌入金线中。这两种情况下使用的微胶囊都包含有铟化镓共晶体——这种金属材料具有高导电性和低熔点。随后,他们将这个设备夹在一层玻璃和腈纶之间并通电。随后,科学家们弯曲电路让其产生裂缝,此时,监测电压为零。

  科学家们表示,结果表明,这种破裂的微胶囊“治愈”了大部分测试电路,在一微秒之间就能让电压恢复到正常值。而且,研究表明,小一点的微胶囊每次都能修复设备,但其导电能力比大一点的微胶囊弱(而其修复的成功率要低一些),因此,不同大小的微胶囊结合在一起,有望获得更好的结果。科学家们接着对该设备进行了4个月的监控,在这段时期内,导电能力没有损失。

  该研究团队表示,最新研究可能是太空工业的福音。航空航天技术专家斯科特·怀特表示:“我认为,这一技术真正的应用领域是那些设备出了故障很难修复或被取代的领域,只比如在星际旅行中,很难换出设备。”

  该研究团队也希望采用这一过程研制出使用寿命更长的可充电电池。他们表示,目前的可充电电池系统在经过多次重复使用后会出故障的原因主要是设备内部的微小损害中断了电流。如果解决这一问题,电动汽车用的电池有望使用十年或更长时间,使其维护成本大幅减少。

  科学家们也认为,最新技术有潜力为消费者提供更稳定的消费电子设备,从而节省资源,节约能源。怀特以手机键盘为例,他说,如果手机键盘重复使用,可能会导致下面的电路出现故障,而能自我修复的系统将延长手持设备的寿命,节省能源。(刘霞)

    [科技日报]

美国科学家研制出负折射率等离子纳米天线

  本报讯 据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家表示,他们的实验证明,纤细的等离子体纳米天线阵列能采用新奇的方式对光进行精确地操控,改变光的相位,创造出负折射现象,最新研究有望使科学家们研制出功能更强大的光子计算机等新式光学设备。相关研究发表在12月22日出版的《科学》杂志上。

  该研究的领导者、普渡大学布瑞克纳米技术研究中心纳米光子学部门主管、电子和计算机工程教授弗拉基米尔·萨里切夫表示:“通过大大改变光的相位,我们能显著改变光的传播方式,因此,为很多潜在的应用打开了大门。”光的相位是指光波在前进时,光子振动所呈现的交替波形变化。同一种光波通过折射率不同的物质时,相位就会发生变化。

  今年10月份,哈佛大学电子工程学教授费德里科·卡帕索领导的科研团队在《科学》杂志上撰文指出,他们利用一种新技术诱导光线路径,使得沿用了多年的斯涅耳定律受到挑战。斯涅耳定律指出,当光从一种介质进入另一种介质时,在这两种介质的交界处,相位不会突然发生变化。而哈佛大学的实验表明,通过使用一种新型结构的“超材料”,光的相位和传播方向都会发生巨大变化。这一研究发现使在预测光线由一种介质进入另一种介质时,其有别于经典的折射和反射定律,可以创建负折射现象,光的偏振也可以得到控制。

  普渡大学的科研团队则更近一步,制造出了纳米天线阵列并大大改变了光波波长介于1微米(百万分之一米)到1.9微米之间的近红外线附近光波的相位和传播方向。萨里切夫表示:“我们将哈佛大学的研究拓展到近红外线区域,近红外线,尤其是波长为1.5微米的光线对通讯来说至关重要,通过光纤传送的信息使用的就是这个波长,最新研究在通讯领域将非常实用。我们也证明,这并非单频效应,适用于很多波段,因此,可广泛应用于很多技术领域。”

  这种纳米天线是蚀刻在一层硅上方的金做成的V型结构,它们是一种“超材料”(一般都是所谓的等离子体结构),宽40纳米。科学家们也已证明,他们能让光通过一个宽度仅为光波波长五十分之一的超薄“等离子体纳米天线层”。

  科学家们解释道,每种材料都有自己的折射率,可描述光在其中的弯曲程度。包括玻璃、水、空气等在内的所有天然材料的折射率都为正数,而新的超薄等离子体纳米天线层能导致光线大大改变其传播方向,甚至产生负折射现象,使用传统材料则无法做到这一点。

  这一创新有望让人们引导激光并改变激光的形状,应用于军事和通讯领域;有助于科学家们研制出使用光处理信息的光子计算机中的纳米电路以及功能强大的新型透镜等。(刘霞)

    [科技日报]

 

 

 

相关报道

美国为超级计算机研制新光子设备

  本报讯 据美国《每日科学》网站近日报道,美国科学家表示,他们研制出一种新的光子设备,其足够小,因此,几千万块这样的光子设备可以“堆积”在一块计算机芯片上,有望让运行速度更快、信息处理能力更强的超级计算机成为可能。相关研究发表在《科学》杂志上。

  普渡大学电子与计算机工程系的助理教授齐明豪(音译)和该大学电子与计算机工程系教授安德鲁·韦勒领导的科研团队携手研制出这种新光子设备,是一种“无源光二极管”,由两个直径仅为10微米的硅环组成,与其他光二极管不同的是,新光二极管并不需要外部辅助就可传输信号,而且,也能很好地整合进计算机芯片中。

  齐明豪说,这种二极管能进行“非互易传输”,这意味着它仅仅在一个方向传输信号。他解释道,激光器发出的红外线通过光纤并被名为波导的微结构所引导,随后,它会连接通过这两个硅环,而且,当其在硅环内时,会经历“非线性的相互关联”。光进入其中的一个微环后,要么继续前进,要么向后消散,这样就实现了单向传输。科学家们也能通过使用微型加热器加热它们来改变其传输的波长,因此,使处理很宽频率范围的波成为可能。齐明豪说:“单向传输是逻辑电路最基本的部分,因此,我们的二极管为光子信息处理打开了大门。”

  尽管光纤光缆是实现跨海和跨洲传输海量数据的基本组件,但光信号必须被转变为计算机内使用的电信号或者相反,而在进行这种转化时,信息处理会变得很慢且数据容易遭遇网络攻击。

  研究人员王健(音译)表示:“光电信号之间的转化需要昂贵的装备。而新二极管通过摒弃该转化过程,让芯片运行和处理信息的速度更快且更安全;也能同制造计算机芯片的工业制造过程兼容。”

  研究人员表示,目前,限制超级计算机发展的主要因素是运行速度和系统内单个超级芯片传播信息的带宽,新二极管非常紧密,且还拥有其他属性,可用于未来的光子信息处理芯片中,有望导致运行速度更快、信息处理能力更强的超级计算机。科学家们目前已准备对其进行商业化生产。(刘霞)

    [科技日报]

 

 

   

 

 

 

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