Nowości w nauce, technice, bezpieczeństwie i nie tylko – 9.11.2014

Nauka:

• Po szumnym ogłoszeniu odkrycia cząstki Higgsa,po Noblu itd przyszły (wreszcie) pytania,czy akcelerator LHC zaobserwował cząstkę Higgsa czy może coś podobnego, oraz pytanie czy była ona sama.No i bardzo dobrze.Model standardowy w fizyce nie do końca jest taki piękny, a ja osobiście uważam,że najciekawsze w teoriach i modelach są ich nieścisłości i ograniczenia. Więcej na omawiany temat na portalu phys.org; oraz artykule „Technicolor Higgs boson in the light of LHC data” opublikowanym w piśmie Physical Reviev Letters i dostępnym również na stronie arxiv.org.
• Ciekawy argument przeciwko wierze w duchy – wrażenie „obecności” odtworzono w laboratorium. Całość eksperymentu opisana jest w artykule „Neurological and robot-controlled induction of an apparition” opublikowanym w piśmie Current Biology. Więcej na temat tego eksperymentu można poczytać tutaj.
• Badania nad chipami neuromorficznymi trwają.Grupa z Uniwersytetu w Heidelbergu zaprojektowała w styczniu Chip neuromorficzny zawierajacy 384 sztuczne neurony i 100.000 sztucznych synaps. Ostatnie eksperymenty na MIT z chipem zawierającym 576 takich neuronów obsługującym drona dały bardzo ciekawe efekty.W przeprowadzonym eksperymencie maszyna korzystając z sensorów pracujących w zakresach promieniowania „optycznym” (widzialne promieniowanie), ultradźwiękowym i podczerwonym przeleciała przez 3 pokoje.Cykl uczenia i sam proces eksperymentu nie został dokładnie omówiony,więcej informacji można znaleźć pod adresami: http://phys.org/news/2014-11-drone-flight-special-chip.html i http://www.technologyreview.com/news/532176/a-brain-inspired-chip-takes-to-the-sky/  ponadto warto odwiedzić stronę: http://www.hrl.com/laboratories/cnes/cnes_main.html . O układach neuromorficznych pisałem natomiast tutaj.
• Badacze z uniwersytetu Cambridge zidentyfikowali klasę polimerów,które przewodzą elektrony niczym nieorganiczne półprzewodniki. Więcej na stronie CambridgeNews.
• Sukces w badaniach nad piezoelektrykami.Konkretnie chodzi o związek znany jako PZT o wzorze chemicznym Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3. Jest to jeden z najpowszechniej wykorzystywanych piezoelektryków ceramicznych,a sukces polega na potwierdzeniu istnienia specyficznej granicy mającej istotne znaczenie dla piezoelektrycznych właściwości. Więcej informacji na stronie phys.org oraz w artykule „The missing boundary in the phase diagram of PbZr1-xTixO3.” pisma „Nature Communications”. DOI: 10.1038/ncomms6231
• Amerykańscy Naukowcy z Purdue University opracowali technologię nanoszenia diamentowych wzorów z wykorzystaniem lasera i powierzchni grafitowej.Jest to szczególnie ciekawe zważywszy,że nie potrzebowali do tego wysokich temperatur ani komory próżniowej. Więcej na stronie phys.org i w artykule „Direct Laser Writing of Nanodiamond Films from Graphite under Ambient Conditions” czasopisma „Scientific Reports„. Artykuł jest dostępny na stronie Nature Scientific Reports.
• Możliwe jest już złamanie zasady symetrii przy samouporządkowaniu w metamateriałach optycznych.Pozwoli to wytworzyć metamateriały optyczne o izotropowej odpowiedzi/reakcji optycznej będące nową jakością,jeśli chodzi o ten rodzaj materiałów.Jednym z zastosowań jest (już wymieniona – przy okazji kropek kwantowych) „czapka niewidka”. Więcej na stronie phys.org oraz w artykule: „Feedback-driven self-assembly of symmetry-breaking optical metamaterials in solution.” czasopisma „Nature Nanotechnology”, DOI: 10.1038/nnano.2014.243
• Naukowcy niemieccy z Fraunhofer IIS na najbliższych targach w Monachium zaprezentują samochodową łącze samochodowej sieci o przepustowności 10 Gbit/s i . Więcej na stronie Electronics Weekly.

Bezpieczeństwo:

• Na stronie Cryptome ukazały się ciekawe artykuły:
  • Na temat szpiegowania na Facebooku osób które zmieniły nazwę użytkownika lub dane kontaktowe: PDF. Sztuczka jest jednak prosta.Polega ona na tym,że o ile ktoś nie założył nowego konta id facebooka jest to samo.
  • Ciekawy artykuł na temat Microsoft One Drive i programu PRISM (narzędzia microsofu do szyfrowania nie zapewniają bezpieczeństwa przed NSA)
  • Intel ukarany za nieautoryzowany eksport technologii szyfrujących kwotą 750 tysiecy $. PDF.
  • Artykuł na temat Aplikacji TextSecure,służącej do wysyłania wiadomości tekstowych i jej bezpieczeństwa.
  • Ciekawy tekst na temat bezpieczeństwa sieci Tor,zwłaszcza po zlikwidowaniu Silkroad 2.0
• Bruce Schneier ostrzega z EFF – sieć Amerykańska firma Verizon śledzi użytkowników korzystających z telefonów komórkowych.Oryginalny artykuł EFF.
• Pełne podręczniki narzędzia inwigilacji rządowej Hacking Team RCS (Galileo) opublikowane na The Intercept. Kilka serwerów tego programu podobno jest w Polsce.

Inne:

• Firma Xilinx wyprodukowała FPGA w technologii 20 nm dla przyspieszania prac w systemach Data Center. Produkt nosi nazwę Kintex UltraScaleKU115 FPGA. Więcej na stronie Electronics Weakly.

Reaktor fuzyjny w ciągu 5-10 lat ?

Ostatnio jakoś mamy wysyp newsów na temat reaktora fuzyjnego już niedługo. O tym,że reaktor termojądrowy jest świętym graalem energetyki; sposobem na wyjątkowo czystą energię elektryczną za śmieszne pieniądze wiadomo od dawna.

O reaktorach fuzyjnych wspominałem już we wcześniejszym wpisie.Pierwsze próby prowadzono już bardzo dawno. Czy wiec zbliżamy się do przełomu ? Oto koncern Lockhead Martin jako kolejny deklaruje,że jest 5-10 lat od przełomu, na miarę co najmniej porównywalnego z dawnymi podróżami na księżyc,czy wprowadzeniem komputera osobistego. Materiał wideo który wrzuca ta firma jest fascynujący:

Naukowcy są jednak nieco krytyczni,zauważając,że w istocie niektóre konieczne badania jeszcze nie zostały zrealizowane,a niektóre rzeczy są w fazie teorii,a Lockhead nie ma jak dotąd prototypu. Musimy pamiętać,że koncepcję tokamaka stworzyli już w 1950 Rosjanie Tamm i Sacharow.I do tej pory, jeszcze się nie udało tego pomysłu zrealizować w praktyce, w formie wydajnego źródła energii.Mimo to,wiele dróg i wiele prób przybliża całą ludzkość do tego wielkiego momentu coraz bardziej. Przypomnijmy:

• Projekt ITER jest projektem pierwszego reaktora badawczego który ma wytworzyć więcej energii niż potrzebuje. Pierwszy zapłon ma mieć miejsce jednak dopiero za 5 lat – w 2019 roku.
• Badania nad urządzeniem Polywell są nadal kontynuowane
• Reaktor Dynomak klasy Spheromak miał niedawno być omówiony w St.Petersburgu – reaktor ten ma być tańszy niż węgiel w eksploatacji. Do materiałów z konferencji 17.10 nie dotarłem na razie,aczkolwiek pan Derek Sutherland zamieścił na swoim koncie wordpress poster (możliwe,że stary,ale i tak dobry)

Wnioski są oczywiste.Badania prowadzone są więcej niż 1 ścieżką.I prędzej czy później, ten reaktor fuzyjny będzie – taki czy inny. Cała kwestia w jednak w utrzymaniu tej plazmy wewnątrz odpowiednim polem magnetycznym i w kontroli nad nią. Czy jednak to jest kwestia 10 lat ? Obawiam się,że wiele tu zależy od środków na badania,możliwe też,że od opracowania lepszych nadprzewodników  i nie tylko- więc ten termin może raczej nie zostać dotrzymany.Chciałbym w to wierzyć,ale skala problemu sprawia,że mam wątpliwości.Rzecz jednak w tym,że to bardzo dobrze,że zwraca się uwagę na tą wielką szansę w mediach. Badania nad fuzją nuklearną mają strategiczne znaczenie nie tylko dla państw,ale całego gatunku ludzkiego. Szczytem (nieosiągalnych niestety) marzeń byłoby,gdyby państwa przeznaczyły na te badania solidarnie choć połowę swoich dotychczasowych budżetów zbrojeniowych – co raczej nie będzie mieć miejsca. Przy odpowiednim zarządzaniu,problem zostałby wtedy dużo szybciej rozwiązany.I bylibyśmy jako cywilizacja od razu lata świetlne do przodu.
Z drugiej strony, jeśli efektywne reaktory fuzyjne rzeczywiście powstałyby w 5-10 lat,to oznaczałoby to,że cały pomysł,by w Polsce postawić reaktor na materiał rozszczepialny (pomijając już oczywiste niebezpieczeństwo, typowych w naszym kraju „oszczędności”,które sprawiają,że po roku nasze „autostrady” nadają się do remontu,ponieważ „wykonana nadzwyczaj oszczędnie” Polska jezdnia niestety pęka) może się okazać wyrzuceniem pieniędzy w błoto na przestarzałą i niebezpieczną technologię. A wtedy zdobędziemy kolejny powód,by swojsko ponarzekać na „niezwykłą bystrość” i „wyjątkowo wielką wiedzę” (zwłaszcza naukowo-techniczną) naszych polityków,z których 82  jest (jak deklarują) nauczycielami i wykładowcami akademickimi (no ale, czego się spodziewać po „humanistach” i to w kraju który nadal konsekwentnie utrzymuje wydatki na naukę na poziomie promili PKB ?).

Nowości w nauce – obecne i niektóre wrześniowe.

W tym wpisie krótko i właściwie nadrabiam zaległości – omawiając nowości z września i początku tego miesiąca.

No więc zaczynamy od obecnego miesiąca:

• W najnowszym wydaniu czasopisma „Nature Nanotechnology”, ukazały się dwa artykuły, dotyczące rozwiązania problemu operowania z dużą dokładnością na kubitach.Jest to niezwykłe,zważywszy,że znaleziono aż 2 bardzo istotne rozwiązania, mające przypuszczalnie podstawowe znaczenie dla przyszłych komputerów kwantowych.Całość opisano w artykułach: [1] „Storing quantum information for 30 seconds in a nanoelectronic device” , Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/nnano.2014.211 ; [2] „An addressable quantum dot qubit with fault-tolerant control-fidelity”, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/nnano.2014.216. Więcej na portalu phys.org . Co ciekawe podane DOI wyglądają na jeszcze nie wprowadzone (artykuły opublikowano dziś),ale całość artykułów była prawdopodobnie dostępna na stronie arxiv.org Cornell University: [1] [2] (dział cond-mat.mess-hall – z tej perspektywy, istotny też może być inny artykuł będący propozycją metody tworzenia kwantowych wielokubitowych „bramek” w udostępnionym tam artykule „Multi-qubit gates protected by adiabaticity and dynamical decoupling applicable to donor qubits in silicon”)
• Badacze z MIT, pod kierownictwem profesora Ju Li odkryli,że nawet nanostruktury w stanie stałym o rozmiarze poniżej 10 nm mogą odkształcać się podobnie jak ciekłe mikrokropelki.Jest to na razie symulacja,ale jeśli rzecz się potwierdzi (a prawdopodobnie tak będzie) będziemy mieć do czynienia z poważnym ograniczeniem funkcjonalnym nanotechnologii. Więcej na stronie MIT news.
• Naukowcy z Cambridge i Joint Quantum Institute opracowali nową metodę manipulacji spinem. Więcej na stronie cambridge,oraz w Artykule „Environment-assisted quantum control of a solid-state spin via coherent dark states” czasopisma „Nature Physics” – doi:10.1038/nphys3077
• Badacze z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaproponowali nowy model reaktora fuzyjnego, wraz z analizą kosztów. Wg obliczeń wykorzystanie takiego reaktora ma być tańsze niż spalanie węgla obecnie. Wyniki badań dotyczących reaktora dynomak mają być podane 17.10 na konferencji  w St.Petersburgu.Reaktor ten jest wersją reaktora typu spheromak  Czy będzie to długo oczekiwany przełom w badaniach nad reaktorami fuzyjnymi i tanią energią elektryczną ? Zobaczymy. Więcej na stronie phys.org.
• Badacze z Uniwersytetu w Leeds dokonali przełomowego odkrycia w bio-nanotechnologii. Dzięki wykorzystaniu membran lipidowych (będących elementem błony komórkowej) jako „biologicznego atramentu” o rozdzielczości ok 6 nm możliwe jest wytworzenie bardzo wielu bio-nanoelektronicznych urządzeń. Całość opisano w czasopiśmie Nano Letters” artykule: „Diffusion in Low-Dimensional Lipid Membranes” ; DOI: 10.1021/nl503024v
  Wcześniej badania na podobny temat opisano natomiast w artykule pisma: „The Journal of Chemical Physics”, pt: .”Towards bio-silicon interfaces: Formation of an ultra-thin self-hydrated artificial membrane composed of dipalmitoylphosphatidyl1choline (DPPC) and chitosan deposited in high vacuum from the gas-phase” DOI: DOI: 10.1063/1.4894224
• Nowe Nanomateriały Hybrydowe (organiczno-nieorganiczne) są szansą na otrzymania ogniw fotowoltaicznych o sprawności bliskiej 100%. Całość w artykule „Resonant energy transfer of triplet excitons from pentacene to PbSe nanocrystals” czasopisma „Nature Materials”, DOI: 10.1038/nmat4093
• Nagrodę Nobla z Fizyki otrzymują Isamu Akasaki,Hiroshi Amano i Shuji Nakamura za badania nad diodami LED, które umożliwiły ich szersze zastosowanie – zwłaszcza w żarówkach. John O’Keefe,May-Britt Moser i Edvard Moser otrzymali z kolei nagrodę z Medycyny za badania nad mózgiem.Nagrodę Nobla z Chemii uzyskali Eric Betzig,William Moerner i Stefan Hell za umożliwienie obserwacji małych obiektów (zwłaszcza biologicznych) przy użyciu mikroskopów optycznych,zwiększając tym samym ich zdolność rozdzielczą do wartości poniżej dotychczasowej granicy.

Co do września:

• Ceramiki które nie są kruche ? Tak ! Naukowcy z Caltech (California Institute of Technology) udowodnili że owszem,to możliwe.W artykule”Strong, Lightweight and Recoverable Three-Dimensional Ceramic Nanolattices,” czasopisma Science (DOI: ) opisana jest metoda oparta o litografię wykonania ceramik o strukturze podlegającej odształceniom.Tym samym udowadniają,że dzięki zastosowaniu nanotechnologii i przy odpowiednich kosztach możliwe jest otrzymanie materiałów o dowolnych właściwościach.
• Germanen,jeden z konkurentów grafenu został otrzymany przez Europejskich naukowców. Już w poprzednim wpisie ostrzegałem,że germanen podobnie jak krzemen może być konkurentem dla grafenu – szczególnie jeśli chodzi o np. elektronikę kwantową. Całość opisano w artykule „Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene” czasopisma New Journal of Physics dostępnym tutaj.
• Tymczasem, badania na Uniwersytecie w Manchasterze dowodzą,że grafen może być bardzo skuteczną barierą przeciwko korozji w wodzie,powietrzu i stężonych substancjach.Całość w artykule „‚Impermeable barrier films and protective coatings based on reduced graphene oxide” czasopisma „Nature Communications”.

Z wiadomości mniej powiązanych z nauką

• Optyczna firma ZEISS znana od szeregu lat z produkcji wysokiej jakości sprzętu optycznego – m.in. mikroskopów, ceniona w środowisku naukowym od lat,ostatnio zamierza wprowadzić swoje gogle wirtualnej rzeczywistości.Wiecej na stronie giznet.

A w następnym wpisie (w następny weekend) pojawi się nowy fragment „opowieści o pancerzu”. Pozdrawiam i zapraszam.

Złącze P-N po ludzku

Pomimo obecności artykułu na Wikipedii, właściwie,dzięki gąszczom równań i nie tylko, zwykłym ludziom może być trudno pojąć sedno rozwiązań, będących podstawą współczesnej elektroniki. Więc czym jest złącze P-N , wszechobecne w elektronice, ogniwach PV itd; jak zrozumieć „na chłopski rozum” skomplikowane zjawiska,których wyjaśnienie i wykorzystanie pozwoliło później wytworzyć jeszcze bardziej złożone tranzystory bipolarne ? Jak prosty człowiek,nie będący fizykiem czy elektrykiem/elektronikiem ma to zrozumieć ? Jak ono działa ?

W definicji mowa jest o półprzewodnikach.Tak.To jest znany nam dobrze krzem.

Czysty krzem jednak,bez domieszek jest właściwie izolatorem,a całą strukturę trzeba domieszkować – jeśli czytujesz tego bloga, być może wspomniałem o tym już wcześniej. Po co domieszkować ? Dla obecności elektronu lub dziury*,czyli dwóch podstawowych nośników prądu. Wyjaśnijmy to na przykładach.Istnieje 2 rodzaje domieszkowania:

• P (ang.Positive) – atomami o wartościowości 3 jak: Bor,Glin,Bar,Ind (B,Al,Ba,In) – głównie borem.
• N (ang.Negative) – atomami o wartościowości 5 jak: Fosfor,Arsen,Antymon (P,As,Sb) – głównie fosforem

Skoro Krzem ma wartościowość 4, to pierwiastki o wartościowości 3 mają niedobór elektronów (a wiec względny ładunek „pozytywny”,”dziurę” – stąd „positive”) , a te o wartościowości 5 ich nadmiar (a ponieważ elektron ma ładunek ujemny: „negative”).No i dobrze.Ale teraz jeśli kojarzy się zjawisko dyfuzji, czy podstawową wiedzę o elektryczności można zapytać – dlaczego w takim razie, w naturze nie dojdzie do szybkiej dyfuzji czy przepływu elektronów.Cały dowcip jednak w tym,że to zjawisko działa na naszą korzyść tworząc pomiędzy warstwą P i N strefę zubożoną o praktycznie obojętnym,stabilnym ładunku, która w praktyce pełni rolę swego rodzaju bariery. :

W naturalnym stanie mamy zatem równowagę.Raczej taką chwiejną,ale równowagę.Wystarczy jednak przyłożyć napięcie, a równowaga ta znika. Napięcie jednak może być oczywiście przyłożone na 2 sposoby:

• w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru p – wtedy płynie prąd dyfuzyjny
• w kierunku zaporowym, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru n – wtedy bariera rośnie.

Widać zatem,dlaczego mówimy o kierunku zaporowym – pomijając możliwe przebicie, złącze jest zatem jednokierunkowe.

Oczywiście to jest teoria elektryczna,w praktyce mamy bariery potencjału itd,ale to już szczegóły, pozwalające zrozumieć szczegóły działania.

*dziura elektronowa (electron hole) choć zachowuje się jak cząstka cząstką oczywiście nie jest;jest wytworem pasmowej teorii przewodnictwa; uproszczeniem,tzw. kwazicząstką a nie np. pozytonem.Gdy byłem młodszy, „dziury” wspomniane w podręczniku sprawiały mi w fizyce dość poważny problem,ponieważ „nie pasowały”. W istocie, jako dziecko nie mogłem pojąć,jak można mówić o poruszającej się pustce,przenoszącej na dodatek jakiś ładunek. Wydawało mi się to nonsensem. Dopiero samodzielne uzupełnianie wiedzy,oraz studiowanie inżynierii materiałowej pozwoliło mi się oswoić z tym pojęciem, i dostrzec pewną analogię (lecz jest to trochę kiepska analogia) do wakancji,poprzez zrozumienie, że to nie „pustka” się może poruszać,ale całe jej otoczenie. Jest prawdziwym problemem,że szkoła uczy nieraz tak wyrywkowo,że niektórzy nie dostrzegają już znaczenia tego, czy jonizacji.Okrojony program nauczania nie jest dobrym programem.

To wszystko opiera się na fizyce

Tytuł tego posta zapewne nie jest dla nikogo odkrywczy. Współczesna fizyka jest nauką uniwersalną, w której ramach tak naprawdę egzystują wszystkie nauki ścisłe oprócz matematyki, będącej językiem służącym do opisu tego wszystkiego poprzez wzorce (ale i czymś więcej oczywiście). Chciałbym jednak na wstępie wyjaśnić, dlaczego twierdzę,że nauki takie jak inżynieria materiałowa, nanotechnologia,elektronika i informatyka są ze sobą ściśle powiązane.Najprostsza odpowiedź to jedno słowo: Mikroprocesor.

Ma je większość nowoczesnych urządzeń,twój telefon komórkowy ,laptop czy pecet,telewizor czy radio,kalkulator a najprawdopodobniej również pralka,samochód – ba, może i twój dom, jeśli oczywiście masz sporo pieniędzy był i jest oparty o mikroprocesory. Nic dziwnego,że pewnie jeszcze nieraz o nich napiszę.

Najnowsze mikroprocesory są arcydziełem współczesnej elektroniki, składającym się często z miliardów (czyli wielokrotność 10^9) tranzystorów. Obecne ścieżki na procesorach Intela wykonywane są w technologii 22 nm,a w planach jest technologia 14 nm. Przy takim rozmiarze ścieżek spokojnie można mówić już o nanotechnologii,a jeśli nie – to chociaż o wykonaniu w nanoskali. Uzyskanie czystych monokryształów krzemu które potem są domieszkowane (czystość przed domieszkowaniem jest bardzo ważna by układy prawidłowo działały) a ich wycięcie to z kolei czysta inżynieria materiałowa której korzenie to opracowana przez Polskiego uczonego Jana Czochralskiego  metoda produkcji monokryształów oraz dość złożone metody rafinacji chemicznej. I to wszystko po to, by przetwarzać informacje – czym zajmuje się informatyka. Ale w istocie inżynieria materiałowa i nanotechnologia mają jedną matkę, z której wyrastają.Fizykę ciała stałego. Tak naprawdę to inżynieria materiałowa i nanotechnologia są szczególnymi, szerokimi stosowanymi przypadkami fizyki ciała stałego. Po prostu. Również elektromagnetyzm jest częścią fizyki i to częścią praktycznie powiązaną z fizyką ciała stałego. A informatyka ? Ona jest przecież bliższa matematyce… Owszem. Ale informacja to sposób organizacji,swego rodzaju wzorzec, który w określonych warunkach może być odtworzony (do pewnego stopnia) materialnie.

Zatem w sumie jak dla mnie informacja/stan materii w czasie – to też jest sprawa fizyki…

Być może filozofowie i inni humaniści, oraz niektórzy matematycy będą sobie debatować o niematerialnych wzorcach i duchach.Ich sprawa.Ale okultyzm i tego typu dziwne rzeczy to raczej nie jest sprawa dla porządnego inżyniera czy naukowca…