Нейроэлектроды: системный переход от микро- к нано-.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Чем тоньше нейроэлектрод, тем менее он травматичен для ткани, поэтому логично было ожидать системного перехода в изготовлении электродов, с микро- на наноуровень. И, недавно, (2016) он был сделан, американскими ученые из Стэндфордского университета и Департамента энергетики США, мексиканскими и немецкими физиками, которые использовали алмазы минимальных размеров, для сборки тончайшего в мире электрического провода, толщиной всего в три атома! Провод состоит из проводящей и изолирующей частей. Проводящая часть образована атомами серы и меди, изолирующая — наноалмазами. Исходными веществами для синтеза были раствор сульфата меди, содержащий ионы металла, и раствор адамантантиола. (Последний представляет собой молекулу, структура углеродного скелета которой повторяет структуру алмаза. Иными словами, адамантиол – это наноалмаз, состоящий из всего 10 атомов углерода, окруженный атомами водорода. Окончание -тиол означает, что к структуре прикреплен один боковой атом серы, ответственный за соединение алмазоподобной частицы с медью.) За счет действия между кристаллами сил Ван-дер-Ваальса, ученым удалось добиться самосборки такой конструкции. (Помимо меди, ученым удалось получить похожие провода из серебра, цинка, кадмия и железа, что показывает универсальность подхода. Если заменить медь на цинк, то структуры будут обладать пьезоэлектрическими свойствами, и смогут вырабатывать электрический ток при деформации. Авторы рассказывают, что структуры, получившиеся с сульфидом кадмия, могут быть интересны с точки зрения их оптических свойств — они близки к материалам, использующимся в светодиодах. А аналогичный селенид железа интересен с точки зрения возможных сверхпроводящих свойств.) Наноалмаз, или адамантан, представляет собой наименьшую структурную единицу кристаллической решетки алмаза. Такая молекула состоит из десяти атомов углерода и шестнадцати атомов водорода. На основе диамондоидов – полимерных органических молекул, в которых углеродные атомы скелета связаны между собой, точно так же, как и во фрагментах кристаллической решетки алмаза, — исследователи смогли создать электропроводники толщиной всего в три атома. (Почему три атома, а не один? Протяженные наноструктуры, получающиеся методами самосборки, часто состоят из одноатомных цепочек, по которым могут перемещаться заряды. Это значительно ограничивает электронные свойства таких структур: носителям заряда приходится поочередно перемещаться от атома к атому, образуя «очереди». Обойти это ограничение можно, немного увеличив диаметр проводящей части, как раз до трех атомов.) Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials, кратко о нем сообщаетпресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории SLAC.[35]^,[36]

Для обеспечения коммуникации между мозгом и внешним устройством, необходим более «толстый» транспортный канал связи, чем в три атома, и более универсальный, но без потери биосовместимости. Международная группа ученых, возглавляемая учеными из Массачусетского технологического института, создала первое, в своем роде, гибкое волокно, толщина которого сопоставима с толщиной человеческого волоса, и которое позволяет передавать в мозг, и получать обратно, сигналы электрической, химической и оптической природы одновременно. Материал универсального проводящего волокна подбирался таким образом, чтобы обеспечить его максимальное подобие мягким нервным тканям. Это, в свою очередь, позволит подключать к мозгу имплантаты любой степени сложности, при этом, глубина погружения в мозг будет намного больше, чем это позволяют сделать используемые сейчас матрицы жестких металлических или кремниевых электродов. Естественно, испытания функционирования волокна производились на подопытных животных. Через один из двух крошечных каналов внутри волокна, в нейроны мозга грызунов, был введен генетический препарат, делающий эти нейроны чувствительными к свету. Затем обработанные нейроны были освещены светом, переданным через оптический волновод внутри волокна. И, под конец, ученые произвели регистрацию электрической деятельности отдельных нейронов, используя для этого электрическую проводимость определенных слоев волокна. И все это было сделано при помощи единственного волокна, толщиной около 200 микрометров, что чуть больше толщины человеческого волоса. Ключевым моментом, позволившим создание такого многофункционального волокна, стала технология производства тончайших проводников, гибких и имеющих высокую электрическую проводимость. Основу проводников составляет тонкая полиэтиленовая трубочка, объем которой заполнен хлопьями графита. А процесс ее производства заключается в повторяющейся последовательности двух операций, нанесения графитового слоя на полиэтиленовую основу, и сжатие всего этого под давлением с последующим нанесением очередного тончайшего слоя полиэтилена. Наличие графита в специальном полиэтилене, которой обладает собственной электрической проводимостью, увеличило его проводимость в четыре-пять раз. Помимо высокой электрической проводимости, созданное волокно обладает прозрачностью, достаточной для передачи по нему оптических каналов. Кроме этого, за счет увеличения толщины одного из графитовых слоев во время производства, в одном волокне организовано два независимых световода, которые практически не оказывают влияния друг на друга. А полости, оставленные в объеме волокна, выступают в роли каналов, которые можно использовать для транспортировки по ним жидких веществ. За счет малой толщины волокна ученые имеют возможность использовать матрицы таких волокон, охватывая ими достаточно большие участки мозга. Для демонстрации этой возможности, волокна были помещены в несколько отдельных участков мозга подопытного животного, что это позволило ученым проследить пути следования нервных сигналов и сигналов ответных реакций мозга на эти сигналы. В ближайшем времени ученые планируют уменьшить толщину многофункционального волокна, сделав его более гибким. Помимо этого, на замену полиэтилену ищется материал, который обеспечит волокну большую мягкость, и увеличит его биологическую совместимость со всеми видами нервных тканей. А, тем временем, множество научных групп, из различных уголков земного шара, уже оценили возможности новой разработки, и запросили в свое распоряжение некоторое количество многофункционального волокна, для проведения собственных исследований. Статья опубликована в Nature Neuroscience.[37]^,[38]

Биофотоника и биоакустика.

Что дальше? А дальше, как рекомендует ТРИЗ Г. С. Альтшуллера, - переход к полевым, элекромагнитным и акустическим, воздействиям и структурам, реализующим идеальный конечный результат (ИКР), когда вещественного проводника как бы и нет, а его проводящие функции – выполняются.

Десять лет назад весь научный мир говорил о недавно открытой оптогенетике, которая могла манипулировать нейронной активностью с помощью света. Проблема была в том, что для этого изначально нужно было генетическое вмешательство: внедрение гена в фокусную клетку, который бы заставил ее реагировать на свет. С тех пор, ученые предлагали и другие способы модулирования нейронов, но внятной альтернативы пока не было.

Исследователи из Мичиганского университета работают над превращением клеток крови человека - в миниатюрные лазеры, которые излучают инфракрасный свет, позволяя медикам обнаруживать зарождающиеся злокачественные опухоли. Термин «лазер» вызывает в воображении образ сложного устройства, опутанного электроникой. Но, фактически, лазеры могут быть изготовлены из самых различных материалов, включая живые клетки. Для того, чтобы создать лазер, требуется источник света, материал, усиливающий этот свет, и оптический резонатор. Худонг Фан (Xudong Fan), и его коллеги из Мичиганского университета, использовали краситель indocyanine green (ICG) для того, чтобы превратить клетки крови в лазеры. Этот краситель обладает флуоресцентными свойствами, излучая свет инфракрасного диапазона, и он уже достаточно широко используется в рентгенографии. Попав в кровоток, краситель ICG связывается с белками, находящимися в кровяной плазме, что увеличивает способности этого материала к усилению света. «Чистый ICG практически не работает, он светится только, когда он попадает в кровь», - сообщает Фан. Поместив смесь красителя ICG и крови внутрь маленького зеркального цилиндра, и осветив это все светом обычного лазера, ученые добились того, что кровь начала излучать инфракрасный свет. Краситель ICG прикрепляется в основном к стенкам кровяных клеток, таким образом, области, где наблюдается скопление таких клеток, к примеру, области опухолей, светятся более интенсивно. И для того, чтобы найти местоположение опухоли, врачам требуется осветить тело человека лазером, и посмотреть на него при помощи инфракрасной камеры. Исследователи собираются использовать подобную технологию и за пределами кровотока живых организмов. Сейчас они рассматривают все возможности создания оптических резонаторов внутри клеток плотных тканей. И одним из возможных вариантов решения является использование золотых наночастиц. Статья опубликована в New Scientist.[39]

Новое исследование Чикагского университета (University of Chicago) показывает, как крохотные, активируемые светом провода, можно сделать из кремния, для создания электрических сигналов в мозге. Команда исследователей, под руководством профессора Божи Тиана (Bozhi Tian), создали микроскопические провода, которые до этого были спроектированы для солнечных батарей. Эти нанопровода настолько малы, что на срезе бумажного листа их может уместиться до нескольких тысяч. В нанопроводах сочетаются два типа кремния, и поэтому они могут создать небольшой электрический ток при облучении светом. А на поверхности провода есть золото, которое действует, как катализатор электрохимических процессов. Ученые протестировали провода на крысиных нейронах, выращенных в лаборатории, и увидели, что провода действительно способны на выработку электрических сигналов в нейронах, а значит, такой проводкой можно инициировать определенные реакции в мозге с помощью обыкновенного света. Статья опубликована в Nature Nanotechnology.[40]^,[41]

А можно ли вообще обойтись без наноэлектродов, стимулируя нейроны одним лишь светом, но не производя оптогенетическую модификацию самого организма? Да, можно. Группа исследователей, из Национальной лаборатории им. Лоуренса, в Беркли (США), изучила свойства полимерных гранул, на основе коллоидов — прозрачных частиц, способных пропускать свет. Ученые планировали применять их для визуализации головного мозга. В ходе экспериментов авторы исследования соединили гранулы с наночастицами тетрафторитрата натрия, покрытыми тулием. (Еще в 2016 году ученые выяснили, что если подвергнуть частицы такого типа лазерному ИК-излучению определенной частоты, то возникает феномен ап-конверсии. Благодаря этому эффекту наночастицы получают способность излучать свет, причем с еще более высокой частотой, чем сам лазер. Также оказалось, что наночастицы периодически производят яркие вспышки света определенных цветов.) Как только ИК-лучи попадают на внешнюю поверхность гранул, внутри гранул свет начинает отскакивать, точно так же, как «шепот отскакивает с усилением от стен церковного собора». Как только интенсивность света достигает определенного порога, запускается процесс непрерывной стимуляции излучения. Как поясняет Science Daily, полученный микролазер может работать часами в непрерывном режиме. «Большинство лазеров на основе наночастиц быстро нагреваются, и через несколько минут выходят из строя. Наши лазеры работают постоянно», — пояснил автор исследования, Джим Шак. Он добавил, что даже спустя пять часов наночастицы способны производить стабильное излучение. Микролазеры диаметром всего 5 мкм по размеру уступают эритроцитам, диаметр которых в зрелом виде доходит до 7-8 мкм. В перспективе их можно будет вводить в организм человека, и проводить медицинские манипуляции. Чтобы доказать, что лазеры могут работать в жидкой среде, ученые поместили гранулы в сыворотку крови — благодаря белковому покрытию лазеры продолжили работать даже в этих условиях. Технология позволит создавать микроспопические лазеры для контроля за активностью нейронов и управления оптическими микрочипами, а также для распознавания химикатов и изменений температуры окружающей среды. Статья опубликована в Nature Nanotechnology.[42]

А управлять точной доставкой микрошариков - ученые уже умеют. Эта технология сочетает в себе использование МРТ-сканера и крошечного металлического шарика диаметром 1 мм. Шарик, из хромированной стали, вводится в тело, и доставляется в место расположения раковой опухоли, используя магнитное поле сканера. Когда он попадает в нужное место, радиоволны сканера нагревают его, и опухоль разрушается. Шарик можно также заточить, чтобы использовать его как миниатюрный скальпель. Технология была успешно протестирована на мозге мертвой свиньи, и исследователи уверены, что она не менее успешно будет работать и на живых людях. Для отработки технологии будет проведено углублённое исследование, чтобы убедиться в этом. «Этот новый класс устройств является прорывом — это впервые в мире», — сказал профессор Лондонского колледжа Марк Литго (Mark Lythgoe, by University College London’s), который представил новую технологию на научном симпозиуме в Челтене (at the Cheltenham Science Festival).[43]

Микро- и нанонейропыль.

Желательно и далее совершать системные переходы, от микро- к наноразмерам, чтобы сделать управляемой доставку микролазеров, или иных агентов нейровоздействия, посредством электромагнитного поля.

Простой способ синтеза таких наночастиц недавно был создан cотрудники химического факультета МГУ и лаборатории «Биомедицинские материалы» НИТУ «МИСиС». Учёные разработали абсолютно новый способ синтеза магнитных наночастиц, основанный на использовании различных органических кислот. Ими были проведены исследования структуры, фазового состава и магнитных свойств полученных уникальных образцов. Относительно простой способ синтеза наночастиц заключается в термическом разложении комплексов иона железа (III) с органическими циклокарбоновыми кислотами. Варьируя природу органической кислоты — концентрации исходных растворов и температуру — исследователи и получают нанокластеры необходимой формы и размера. Синтезированные нанокластеры показали высокие значения Т2-релаксивности, что говорит об их потенциальной эффективности, при применении в магнитно-резонансной томографии, в качестве контрастных агентов. Синтезированные нанокластеры так же обладали высоким значением магнитного насыщения. (Чем выше магнитное насыщение вещества, тем меньше должно быть приложенное магнитное поле для намагничивания частиц.) Результаты исследования учёных опубликованы в журнале Langmuir.[44]

Международная группа ученых, в составе которой находятся ученые из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales), Мельбурнского университета (Melbourne University) и университета Пердю (Purdue University), реализовала технологию, применение которой позволит небезызвестному закону Гордона Мура продержаться еще несколько поколений. Ученые разработали и изготовили самые тонкие в настоящее время проводники из кремния и фосфора, высотой всего в один атом фосфора и шириной в четыре атома. Несмотря на столь малые габариты, новые проводники демонстрируют электрическую проводимость, сопоставимую с электрической проводимостью медных проводников. Предыдущие исследования, которые проводились в данном направлении, указывали на то, что при сокращении габаритных размеров проводников до отметки в 10 нм и меньше электрическое сопротивление последних должно увеличиваться по экспоненциальной зависимости в зависимости от приложенного напряжения. Это является прямым нарушением закона Ома, который описывает линейную зависимость тока от напряжения. Последние эксперименты и математическое моделирование, выполненное на суперкомпьютере, показали, что кремний-фосфорные проводники будут иметь низкое сопротивление несмотря на то, что они являются в 20 раз более тонкими, чем медные проводники, используемые в современных микропроцессорах. У этого достижения, сделанного учеными, есть очень важное значение для некоторых областей. Во-первых, инженеры поучили в свое распоряжение технологию, которая позволит им создавать в будущем наноразмерные электронные устройства, ведь теоретически пределом уменьшения размеров проводников будет единственный ряд атомов фосфора, заключенный в кремнии. Во-вторых, для разработчиков вычислительной техники новая технология открывает возможность создания отдельных атомов-доноров и соединений с ними, что существенно приближает реализацию квантовых вычислений на кремниевых чипах. И в-третьих, ученые-физики получили доказательство того, что закон Ома действует даже на атомарном уровне. Технологическая реализация изготовления тончайших фосфорных проводников на кремнии существенно отличается от современных методов изготовления полупроводниковых чипов микропроцессоров. Вместо нанесения слоев материала и травления, ученые буквально выкладывали будущий проводник атом за атомом. «Это невероятно трудно» - рассказывает Герхард Климек (Gerhard Klimeck), профессор электротехники и вычислительной техники университета Пердю. – «Когда мы добираемся до пределов в 20 атомов, возникают атомные флуктуации и аномалии, которые затрудняют получение точных форм конечных изделий». Но ученые создали специальные устройства, с помощью которых стало возможным нанесение чрезвычайно тонких слоев фосфора на кремний, которые проводят электрический ток точно так же как медные проводники. «Мы находимся на пороге создания транзистора, состоящего из нескольких атомов» - рассказывает Мишель Симмонс (Michelle Simmons), директор Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий университета Нового Южного Уэльса. – «Но для создания реального квантового компьютера нам потребуется еще, что бы вся его схема и проводники были уменьшены до атомарного уровня». Сообщение опубликовано в Kurzweil accelerating intelligence, статьи опубликованы в Science.[45]^,[46]^,[47]

От простой нанопыли, пассивно управляемой внешним электромагнитным полем, можно было бы перейти к би-системе, соединив её с микроразмерными ультразвуковыми нейросенсорами, по типу устройства StimDust.

Устройство StimDust, с миниатюрными беспроводными пьезосенсорами, размерами 3 мм в длину, 1 мм в высоту и 4,5 мм в толщину, имеет объем 6.5 мм³, разработано учёными Калифорнийского университета в Беркли (The University of California, Berkeley). StimDust является самым маленьким имплантируемым стимулятором нервной деятельности. «Он может работать практически со всеми видами нервных тканей периферической нервной системы, что обеспечивает весьма широкую область его применения в терапевтических целях» - рассказывает Рикки Мюллер (Rikky Muller), ведущий исследователь – «Это устройство может стать звеном, связующим разорванные или поврежденные нервные цепи. Кроме этого, оно сможет заменить нефункциональные нервные цепи и узлы, неспособные вырабатывать сигналы, заставляющие работать другие нервы и органы организма живого существа». Это устройство может искусственно стимулировать нервную деятельность, и эффективность этой процедуры составляет 82 процента при уровне подводимой к устройству мощности в 4 микроватта. Так называемая «нейропыль» записывает и воспроизводит информацию с помощью ультразвука. Ультразвук уже широко используется в больницах и, в отличие от радиоволн, проникает практически в любую часть организма. В состав устройства StimDust входят только необходимые для его работы компоненты. Пьезокристалл выступает в качестве антенны, принимающей сигналы извне и обеспечивающей систему энергией, необходимой для ее работы. Эта энергия накапливается в конденсаторе, а управляет работой системы миниатюрный чип, размер которого не превышает одного миллиметра. На основании устройства находятся электроды, которые касаются поверхности нервных клеток. Для обеспечения работы устройства StimDust был разработан специальные беспроводной протокол, который допускает программирование функциональности устройства в достаточно широких пределах, несмотря на его весьма скромные размеры и встроенные ресурсы. «Измерения непосредственно в теле раньше были недоступны, потому что не существовало способа засунуть что-нибудь супермаленькое суперглубоко, — говорит Мишель Махарбиц (Michel Maharbiz), один из авторов исследования. — Но теперь я могу взять пылинку, «припарковать» её рядом с нервом, органом, вашим ЖКТ или мускулом и считать данные». Сенсоры, объемом в 1 мм³, содержат пьезокристалл, который преобразует ультразвуковые колебания в электричество. Оно питает маленький транзистор, находящийся в контакте с нервом или мышечным волокном. Скачок напряжения в ткани изменяет электрическую цепь и колебания кристалла, а он искажает посланный прибором звук. Отражение сигналов, называемое «обратным рассеянием», позволяет определить напряжение. Нейропыль протестировали на лабораторных животных: учёные имплантировали датчики в мышечные волокна и периферическую нервную систему крыс, и посылали им 540-наносекундные ультразвуковые импульсы каждые 100 микросекунд. Это позволило считывать информацию в режиме реального времени. По словам исследователей, новые устройства будут так же хорошо работать в ЦНС и других системах организма. «Я думаю, что в долгосрочной перспективе область применения нейропыли не ограничится нервами и мозгом, а будет гораздо шире», — комментирует Махарбиц. Датчики первого поколения покрыты материалом на основе эпоксидной смолы, но в будущем учёные собираются использовать тонкие биосовместимые плёнки, которые могут находиться в организме более десяти лет. Современные вживляемые электроды разлагаются в течение 1—2 лет, и работают от проводов, пропущенных через отверстия в черепе. «Когда нейропыль пройдёт клинические испытания, она заменит проволочные электроды», — говорит член научной группы Хосе Кармена (Jose Carmena). Теперь учёные намерены уменьшить размер «пылинок», опробовать новые материалы и усовершенствовать передатчик ультразвука. Кроме того они пытаются использовать устройство для регистрации неэлектрических сигналов, например, уровня гормонов или кислорода. Новые датчики позволяют стимулировать нервы и мускулы, и учёные надеются, что однажды с их помощью можно будет лечить эпилепсию, мобилизовать иммунную систему или подавлять воспалительные процессы. А дальнейшие работы в данном направлении позволят создать действительно интеллектуальное устройство, которое позволит людям избавиться от некоторых специфических заболеваний, таких, как астма, эпилепсия и хронические боли. Принципы работы устройства описаны в статье, опубликованной в журнале Neuron.[48]^,[49],[50]

К настоящему моменту, в ещё меньшем объеме (всего 0,04 мм³), удалось разместить не просто сенсор, а полноценный компьютер. Группа инженеров из Мичиганского университета (the University of Michigan), под руководством проф. Дэвида Блаау (Dr. David Blaauw), создали самый маленький компьютер в мире, в нем установлен ARM-процессор и датчик температуры, которые получают энергию и входные сигналы через световые импульсы, а также передают данные о температуре через встроенный светодиод. Созданный ими чип оснащен 32-битным процессором, построенным на основе архитектуры ARM Cortex-M0+. Кроме того, в нем установлена энергозависимая оперативная память, датчик температуры и оптическая схема из фотовольтаического элемента и светодиода, позволяющая чипу принимать энергию и входящие сигналы через световые импульсы, а также отправлять исходящий сигнал таким же образом. Поскольку потребление чипа составляет всего 16 нановатт, получаемой через фотовольтаический элемент энергии достаточно для его работы. Датчик температуры передает процессору данные о температуре в виде импульсов с соответствующим временным интервалом, которые процессор сравнивает с импульсами с постоянным интервалом, получаемыми от базовой станции через световые сигналы. Разработчики утверждают, что точность измерения температуры составляет 0,1 градуса Цельсия. Инженеры предлагают использовать чип для измерения разницы температур в тканях, которая может указывать на наличие злокачественной опухоли. Стоит отметить, что авторы сомневаются, можно ли называть это устройство компьютером — оно может принимать входящий сигнал, проводить вычисления и выдавать результат в виде исходящего сигнала, но не имеет постоянной памяти и не может хранить данные без внешнего питания. Разработчики из Мичиганского университета обновили рекорд, поставленный инженерами из IBM в феврале. Тогда они представили чип, имеющий длину и ширину в один миллиметр. В нем используется похожий принцип работы, при котором чип не имеет собственного аккумулятора и обменивается данными через световые импульсы. Сообщение опубликовано в Tech Times.[51]

Для создания нейроимплантируемых микро- и наночипов, потребны транзисторы, размером всего в несколько атомов. И такие транзисторы - недавно были созданы.

Группа физиков из Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, Berkeley, USA) создала первый в мире транзистор, размер затвора которого составляет всего лишь один нанометр. Это на порядок меньше, чем размер затворов самых маленьких по размеру современных транзисторов. «Нам удалось создать самые маленькие на сегодняшний день транзисторы. Размер затвора — один из основных факторов, определяющих размер самого транзистора. Мы добились радикального снижения размера затвора, доказав возможность дальнейшей миниатюризации электроники», — говорит Али Джави (Ali Javey) из Калифорнийского университета в Беркли (США). Считается, что из-за квантовых ограничений размер затвора кремниевого транзистора не может быть меньше 5 нм. Если попытаться сделать затвор меньшим по размеру, то на работу элемента будет оказывать негативное влияние туннельный эффект. В этом случае транзистор прекращает выполнять свои функции из-за токов утечки и других проблем. До граничного показателя в 5 нм производители электронных устройств еще не добрались. Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров. Но ученые, как видим, уже доказали возможность преодоления лимита в 5 нанометров. Для того, чтобы обойти ограничение по кремнию, для создания миниатюрных электронных элементов специалисты решили использовать другие материалы: дисульфид молибдена, графена или углеродные трубки. Ученым из Беркли удалось объединить в единую систему дисульфид молибдена (MoS₂) и углеродные нанотрубки. Такая комбинация позволила значительно снизить размеры затвора. Самый маленький транзистор в мире состоит из трех основных слоев. Это подложка из кремния, пластинка из диоксида циркония, проходящая через этот материал углеродная трубка и пленка из дисульфида молибдена. Пленка соединяет исток и сток транзистора. Как и кремний, дисульфид молибдена имеет кристаллическую структуру решетки. Но проходящие по MoS₂ электроны тяжелее, чем в кремнии. Это означает, что электроны лучше удерживаются энергетическим барьером затвора. Ученые говорят о том, что дисульфид молибдена образует листы толщиной в 0,65 нм c низким значением диэлектрической проницаемости. По этой причине небольшие затворы транзисторов смогут вырабатывать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы не допустить появления туннельного эффекта. К сожалению, миниатюрные транзисторы, созданные в Беркли — это штучная работа, массово их производить пока нельзя. «Создав транзистор, мы доказали, что затвор меньшего размера, чем 5 нм — вполне достижимая цель. Это ограничение оказалось преодолимым. И закон Мура может и дальше действовать, при условии, что мы будем выбирать правильные материалы», — заявил Джави. Если специалисты научатся создавать такие транзисторы в промышленных масштабах, то в ближайшее время закон Мура действительно будет продолжать действовать. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Scienc e.[52]^,[53]

И даже – нанодатчик ровно в один атом. Пока только тензодатчик, для измерения сил и перемещений, но авторы планируют создать устройство и для электромагнитных измерений тоже.

Исследователи из университета Гриффита (Griffith University), работавшие совместно с учеными из австралийской научно-исследовательской организации CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), разработали новую высокоточную технологию научных измерений. В этой технологии в качестве чувствительного элемента используется один единственный атом, что, в свою очередь, позволяет датчику измерять силы с чувствительность менее 100 зептоНьютонов. В датчике также используются миниатюрные сегментированные линзы Френеля (Fresnel lenses), которые позволяют получить достаточно высококачественные изображения атома, по которым можно вычислить смещение его положения с нанометровой точностью во всех трех пространственных измерениях. «У атома-датчика отсутствует один электрон, таким образом, он очень чувствителен по отношению к электрическим полям» - рассказывает доктор Эрик Стрид (Dr Erik Streed), ученый из Центра квантовой динамики, - «Измеряя смещение положения атома, мы можем с очень высокой точностью вычислить величину действующих на атом сил электрической природы. 100 зептоНютонов - это очень маленькая сила. Она эквивалентна силе притяжения, возникающей между двумя людьми, находящимися на разных сторонах Австралии» - рассказывает доктор Стрид, - «Датчик, обеспечивающий такую разрешающую способность, может использоваться для исследований того, что происходит на поверхности материалов, которые могут быть использованы для создания миниатюрных квантовых вычислительных и других устройств». Исследователи из Гриффита имеют достаточно богатый опыт использования линз Френеля в квантовой физике. Они начали работать с такими линзами с 2011 года, но данный случай является первым разом использования этих линз для получения высокой точности измерений сил, действующих на единственный атом. Преднамеренно создав небольшую расфокусировку оптической системы, ученые смогли измерить значение смещения положения атома в трех измерениях. Это смещение измерялось как изменение уровня расфокусировки изображения атома. «Дальнейшее развитие данной технологии может привести к созданию нового инструмента, способного измерять электрические поля, создаваемые единственной изолированной от окружающей среды биомолекулы. Это, в свою очередь, позволит нам узнать намного больше о функциях и поведении каждого вида таких молекул». Отметим, что новая технология измерения сил является развитием технологий предыдущего поколения, в которых в качестве чувствительного элемента использовались группы атомов, и которые могли измерять силы только в одном из пространственных измерений. Статья опубликована в Science Advances.[54]^,[55]

Исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) сообщили о том, что им удалось изготовить самый маленький на сегодняшний день MOSFET-транзистор, сделанный из арсенида галлия-индия, который имеет размер всего в 22 нанометра. Исследователи надеются, что такие транзисторы, когда они войдут в массовое применение, могут обеспечить истинность закона Гордона Мура еще на достаточно продолжительное время. «Мы продемонстрировали, что любой производитель полупроводниковых приборов может выпускать чипы на основе MOSFET-транзисторов из арсенида галлия-индия, который обладает превосходными скоростными характеристиками работы в цифровых логических схемах. Это должно обеспечить истинность закона Гордона Мура еще достаточно долгое время после того, как возможности кремниевой электроники в этом направлении будут исчерпаны» - рассказал Джесус дель Аламо (Jesus del Alamo), профессор электротехники и информатики, возглавлявший группу, разработавшую и изготовившую новый транзистор, на Международной конференции по электронным приборам (IEEE International Electron Devices Meeting, IEDM), проходившей недавно в Сан-Франциско. Международная организация International Technology Roadmap for Semiconductors уже достаточно давно определила направление использования MOSFET-транзисторов из арсенида галлия-индия, как одно из наиболее перспективных направлений развития электроники. Но у некоторых специалистов возникают сомнения в том, что транзисторы, разработанные в Массачусетском технологическом институте будут оптимальным решением с точки зрения технологичности их производства. Исследователи из ЭмАйТи использовали процесс электроннолоучевой литографии для того, что бы точно сделать все элементы крошечного транзистора, а известно, что использование подобного подхода не приемлемо при промышленном производстве. Все чипы, изготавливаемые на сегодняшний день, производятся с помощью технологии ультрафиолетовой литографии и в течении следующего десятилетия можно ожидать только переключения технологий литографии с на более коротковолновую часть ультрафиолетового света. Помимо всего вышесказанного новый транзистор был изготовлен на подложке из фосфида индия, который является более хрупким и менее прочным материалом, нежели кремний, используемый в настоящее время. Таким образом, пока ученые не придумают, как изготавливать MOSFET-транзисторы на 300-миллиметровых кремниевых пластинах, не стоит и думать о практическом применении таких транзисторов, несмотря на их замечательные качества и превосходные характеристики. Несмотря на все это, нанотранзистор, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, является большим шагом вперед. Но для того, что бы сделать огромный качественный прорыв в области электроники потребуется сделать еще много подобных шагов. Сообщение опубликовано в , пресс-релиз опубликован в .[56],[57]

Миниатюризация является основной двигающей силой, толкающей вперед развитие микроэлектроники и компьютерных технологий уже в течение нескольких десятилетий. Австралийские ученые из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales), работавшие совместно с учеными Университета Висконсина (University of Wisconsin), показали всему миру тот предел, до которого может дойти миниатюризация в области электроники. Они, используя всего семь атомов вещества, создали транзистор на основе квантовой точки, являющийся наименьшим электронным устройством, созданным когда-либо человеком. Этот квантовый транзистор имеет размеры около 4 нанометров, сравнивая этот размер с размерами обычных транзисторов, на основе которых изготавливают чипы в настоящее время, и размер которых составляет порядка 40 нанометров, можно сделать вывод, что создание такого миниатюрного транзистора является огромным шагом в миниатюризации электроники. Но, помимо этого, такая технология значительно приблизит момент создания сверхбыстродействующих квантовых компьютеров, по сравнению с которыми самые мощные современные компьютеры будут выглядеть просто анахронизмами. Используя сканирующий туннельный микроскоп для слежения за ходом процесса, ученые буквально заменили в кристалле кремния семь атомов кремния атомами фосфора. Таким образом они создали чрезвычайно маленькое электронное устройство которое способно выполнять свои функции (пропускать электрические сигналы) под воздействием сигналов внешнего управления. Технология манипулирования атомами на таком уровне уже известна давно и применялась в исследовательских целях, к примеру, в компании IBM, да и транзисторы, состоящие из нескольких атомов, уже существовали, правда, только в теории. Но, до сих пор никто еще не мог управлять атомами для создания работоспособных компонентов электронной техники. Главной целью программы исследователей Нового Южного Уэльса, в рамках который был создан транзистор, является реализация квантового компьютера на кремниевой основе. Конечно, одному созданному транзистору до компьютера еще очень далеко, но само доказательство того, что подобные вещи уже возможно реализовать, само по себе является замечательным. Дальнейшие исследования, которые будут проводиться учеными, направлены на то, что бы разработать технологию массового производства таких миниатюрных электронных компонентов и технологии создания на их базе электронных логических схем, составных кирпичиков будущих микропроцессоров, работающих на атомном уровне. Соообщение опубликовано в Popular Science, статья опубликована в Nature Nanotechnology.[58]

За последние несколько лет область так называемой молекулярной электроники существенно продвинулась вперед. Учеными были созданы функционирующие молекулярные диоды, транзисторы, ячейки памяти и молекулярные аналоги других электронных компонентов. Тем не менее, до последнего времени так и не была решена главная задача, задача передачи и обмена информацией между молекулярными устройствами при комнатной температуре. А без этого будущее всей области молекулярной электроники продолжает оставаться в подвешенном состоянии.

Недавно исследователи из Наньчанского университета (Nanchang University), Китай, закончили разработку нового устройства, в основе которого лежат молекулы особого вида (SnCl₂Pc), которые могут находиться в двух строго определенных формах при контакте с медной поверхностью. Эти две формы можно интерпретировать как логические 1 и 0, знакомые нам из цифровой логики. Работа нового устройства базируется на явлении, известном под названием плоскостной молекулярной ориентации (in-plane molecular orientation). Это явление происходит в момент, когда молекула сложного органического соединения "приземляется" на твердую поверхность. Эта адсорбированная поверхностью молекула может принять одну из нескольких ее форм, а множество этих форм можно условно разбить на группы. «У молекулы, которую мы использовали в экспериментах, имеются две определенные адсорбционные конфигурации в случае ее контакта с медной поверхностью» - рассказывает Ли Ван (Li Wang), профессор физики, - «Мы рассматривает одну (левую) ориентацию молекулы, как логическую 1, а правую ориентацию - как логический 0». Группа профессора Ванна обнаружила, что ориентацию одной молекулы можно изменять путем межмолекулярных взаимодействий, изменяя ориентации двух соседних молекул. Несколько таких молекул, расположенных определенным образом друг относительно друга, можно рассматривать как своего рода логический элемент, в котором выходной сигнал зависит от значений двух входных сигналов. «Мы впервые в истории науки преуспели в реализации передачи сигналов и взаимодействии между отдельными молекулами» - рассказывает профессор Ван, - «Каждая молекула является носителем определенного сигнала, содержащего хранимую или передаваемую информацию. А совокупность молекул, расположенных заданным способом, позволяет выполнять достаточно сложные операции по обработке информации». Молекулярные устройства, созданные в лаборатории профессора Ванна, были изготовлены путем последовательной установки каждой молекулы на медное основание. Но для того, чтобы появилась возможность создания подобных молекулярных устройств в промышленных масштабах, потребуется разработка соответствующих методов производства, которые позволят располагать молекулы в заданных местах с высокой точностью, что обеспечит необходимую функциональность межмолекулярных взаимодействий. В своих дальнейших исследованиях китайские ученые намерены создать ряд новых сложных молекулярных устройств, при помощи которых особенности межмолекулярных взаимодействий будут изучены более тщательно. «И в конце концов мы попытаемся соединить молекулярные устройства разного вида в одну сложную систему, которая сможет выполнять вычисления, подобные вычислениям, которые способны производить обычные электронные устройства» - пишут исследователи. Сообщение было опубликовано в EEE Spectrum, статья была опубликована в Nature Nanotechnology.[59]^,[60]

Поскольку элементы полупроводниковых чипов становятся все меньше и меньше, мы неуклонно приближаемся к моменту, когда фундаментальные законы физики, определяющие некоторые ограничения, начнут препятствовать дальнейшей миниатюризации электронных компонентов. Одним из таких существенных препятствий является то, что поведение проводников электрического тока может стать непредсказуемым в случае уменьшения количества атомов, из которых они состоят, ниже определенного предела. И в поисках решения, которое позволит обойти вышеприведенное ограничение, ученые все чаще и чаще обращаются к использованию графена, углеродных нанотрубок и других материалов одноатомной толщины для изготовления элементов чипов процессоров следующих поколений. Однако, людям требуется беспокоиться не только о производстве новых процессоров. Такая же самая участь ожидает и флэш-память, когда-нибудь размеры ячеек этой памяти сократятся настолько, что не сможет гарантировать надежное и длительное хранение электрического заряда, а следовательно, и записанной в такую память информации. Но эта проблем может быть решена благодаря работе ученых, которые, скомбинировав молекулы двух разных типов, получили возможность длительного удержания в них некоторого количества электронов, превратив их, таким образом, в молекулярную ячейку флэш-памяти. В своей работе ученые пошли по весьма нетрадиционному пути. Вместо того, чтобы создавать многослойные структуры из одноатомных материалов, которые являются конденсатором, накапливающим и удерживающим электрический заряд, ученые реализовали возможность накопления заряда в пределах одной молекулы. Эта молекула является молекулой достаточно сложного оксида, состоящего из 18 атомов металла, вольфрама в данном случае, и 54 атомов кислорода. Такая молекула имеет ячеистую структуру, а ее размер составляет приблизительно один нанометр. Поверх этой молекулы ученые поместили две молекулы триоксида селена (Se(IV)O₃)₂, в которых обычно содержатся избыточные электроны, дающие молекуле отрицательный электрический заряд. Когда под воздействием внешних факторов из получившейся структуры удаляются два электрона, молекулы триоксида селена химически связываются друг с другом, образуя единственную молекулу соединения Se(v)2O6. Обмен электронами осуществляется при помощи большой оксидно-металлической молекулы, через которую пропускается электрический ток. И, как отмечают исследователи, использованные соединения сохраняют свою стабильность при температурах до 600 градусов Цельсия, что позволяет использовать такие материалы практически в любом из существующих технологических процессов. Для проверки работоспособности разработанной технологии ученые покрыли поверхность металлического электрода оксидно-металлическими молекулами с "сидящими" на них молекулами триоксида селена. Подав на электрод отрицательные электрический потенциал, ученые добились того, что все молекулы триоксида утратили избыточные электроны, соединившись в молекулу Se2O6, и сохраняли такое состояние в течение длительного времени (336 часов). Наличие избыточных электронов читалось при помощи прикладывания меньшего электрического потенциала, а приложенный положительный потенциал привел к захвату молекулами триоксида избыточных электронов и образованию двух независимых молекул, т.е. к возврату ячейки в исходное состояние. К сожалению, все вышеописанные процессы проходили при слишком высоком значении электрических потенциалов, +20 и -20 Вольт. Использование столь высокого напряжения абсолютно непрактично с точки зрения электроники, но ученые уже рассчитали, что оптимизация геометрии расположения молекул может решить эту проблему, позволяя стирать, записывать и считывать информацию при прикладывании гораздо меньшего электрического потенциала. Кроме этого, хромают пока и скоростные показатели молекулярных ячеек памяти. Процедура стирания и записи информации длится 0.1 секунду, а время считывания информации имеет приблизительно такой же порядок. Такие времена слишком велики для создания любого запоминающего устройства, однако, результаты расчетов молекулярных математических моделей показывают то, что это время может быть на уровне пикосекунды, требуется лишь обеспечить скоростной и беспрепятственный подвод электронов к основной большой молекуле ячейки. Несмотря на то, что ученые уже занимаются изготовлением и исследованиями молекулярных ячеек памяти, имеющих различную геометрию, большая часть исследований проводится в виде расчетов соответствующих математических моделей. И эти расчеты говорят о том, что разница в определенных характеристиках молекулярной системы ячейки памяти может составлять 11 порядков при нахождении этой ячейки в различных состояниях, в состоянии 1 и 0. И следует заметить, что столь большой разницей не обладает ни один из типов существующих ячеек памяти и это является тем, что служит доказательством перспективности данного направления и обоснованием для проведения дальнейших исследований. Сообщение публиковано в ArsTechnica, статья опубликована в Nature.[61]^,[62]

Для непрерывного мониторинга нанонейросенсоров, требуется обеспечить надежный, толстый и быстрый канал связи. Проблема с обеспечением прямой связи между головным мозгом и каким-либо внешним устройством заключается в том, что эти два объекта «разговаривают» на совершенно различных языках. Для передачи информации внутри мозга используются электрические сигналы и электрохимические процессы, происходящие на атомарном и молекулярном уровнях, и в настоящее время считывание и управление такими сигналами осуществляется при помощи примитивных методов - путем внедрения электродов, соединяемых обычными проводами с электронными устройствами.

Однако, в скором времени эта ситуация может измениться, согласно материалу, опубликованному в журнале Future Medicine. Группа исследователей-медиков из Международного университета Флориды в Майами разработала способ установления своего рода прямого «беспроводного соединения» с нейронами головного мозга, при помощи специальных наночастиц, которые в количестве 20 миллиардов штук были введены в мозг подопытного животного. Магнитоэлектрические наночастицы (magnetoelectric nanoparticle, MEN), введенные в мозг подопытных грызунов, обладают рядом специальных свойств. Они достаточно малы для того, чтобы они могли приблизиться непосредственно к внешней оболочке нейронов на расстояние, позволяющее им реагировать на электрические сигналы нервных импульсов. Эти частицы могут быть активированы при помощи внешнего магнитного поля, производя свое собственное электрическое поле, воздействующее на расположенные рядом нейроны. И это электрическое поле наночастиц может объединять непосредственно с электрическим полем нейронных сетей, вмешиваясь в их функционирование. «Когда MEN-частицы подвергаются воздействию низкочастотного магнитного поля, они производят свое собственное локальное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой магнитного поля» - рассказывает Сахрат Хизроев (Sakhrat Khizroev), ведущий исследователь, - «Это электрическое поле объединяется с полем нейронной сети, позволяя вмешиваться извне в работу ее электрической схемы». Используя такой подход, исследователи успешно реализовали технологию доставки лекарственных препаратов в строго определенные участки головного мозга. Естественно, использование MEN-частиц не ограничено лишь головным мозгом, они могут использоваться буквально внутри всего тела, эффективно противодействуя распространению рака и других заболеваний. Кроме этого, MEN-частицы могут быть использованы для создания нового типа прямого интерфейса между мозгом и компьютером. Обратная связь в таком случае получается за счет измерений магнитных полей, создаваемых наночастицами в ответ на электрические сигналы, проходящие по нейронным сетям. Сообщение опубликовано в Seeker, статья опубликована в Future Medicine / Nanomedicine.[63]^,[64]

Мониторинг ионных каналов.

Предположим, микролазер, любым из имеющихся способов доставки, некоторые из которых приведены далее в настоящем обзоре, был успешно доставлен к нейрону. Каким же образом он сможет мониторить нейрон, контролировать его, и управлять им? Такой способ был недавно продемонстрирован международной группой ученых. Сотрудники из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, и Университета Сассекса, выявили новый способ регуляции электрической активности нейронов, с помощью располагающихся в синапсах нейрона калиевых ионных каналов BK-типа, чувствительных к кальцию, и открывающихся под действием электрического потенциала. (От работы калиевых каналов зависит, насколько быстро мембрана нейрона восстановится и будет готова снова генерировать нервный импульс, а значит, и с какой частотой нейрон сможет передавать сигналы по своему аксону к другим нейронам сети.) Чтобы установить, как внутриклеточный кальций меняет параметры разрядов нейрона, ученые использовали метод фотолитического высвобождения кальция из связанного фоточувствительного соединения, которым предварительно заполняли пирамидный нейрон пятого слоя зрительной коры крысы. Используя сканирующий микроскоп, ученые проецировали лазерный импульс длительностью десятки миллисекунд точно на пресинаптический бутон аксона, вызывая там локальное фотовысвобождение кальция, и регистрируя его распространение по аксону, с использованием флуоресцентного кальциевого индикатора. Одновременно, ученые регистрировали уменьшение длительности электрических импульсов в нейроне, с помощью стеклянного микроэлектрода, внедренного в его мембрану. Эксперименты показали, что искусственно вызванная «кальциевая волна», сравнимая с эффектом от предшествующего электрического импульса, вызывает значительное сужение последующих импульсов в серии. Результаты, раскрывающие механизмы, с помощью которых нейронная сеть без искажений передаёт высокочастотные сигналы, необходимые для точной детекции совпадений во времени, опубликованы в журнале Science Advances.[65]

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 112; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!