7. Запись и хранение информации.

Цифровые носители информации

В качестве считывающего устройства в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор. Для увеличения емкости магнитного накопителя он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики и наносят на них слои высококачественного ферромагнетика. Для считывания информации головка перемещается на некотором расстоянии от поверхности пластины (около 10 нм), которая вращается с постоянной скоростью (до 15 тыс. оборотов в минуту), преобразуя магнитное поле в электрический ток. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания, и тем выше может быть плотность записи информации.

Магнитное покрытие диска разбито на множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (битов), собственные магнитные моменты которых ориентируются в соответствии с направлением прикладываемого магнитного поля и «замораживаются» в таком положении после прекращения действия внешнего поля, сохраняя записанную на диск информацию.

Чем меньше магнитные частицы, тем плотнее они могут быть упакованы, и тем выше будет плотность записи. Однако, начиная с какого-то размера, частицы становятся настолько маленькими, что не могут поддерживать длительный эффект намагничивания ввиду возрастания тепловых колебаний магнитного момента.

2- оптический диск

При оптическом принципе работы чтение и запись информации осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для новых Blu-ray дисков. В оптической записи данные кодируются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков, которые интерпретируется как единица и ноль. Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) при массе 15-30 грамм. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения/записи информации, составляющая менее 100 Мбайт/с для Blu-ray дисков (по сравнению с 1,5 Гб/с в магнитных накопителях).

3- HVD диск

Недавно были анонсированы принципы создания первых голографических HVD (Holographic Versatile Discs) дисков емкостью до 4 Tбайт, практически не уступающих по скорости доступа магнитным HDD. 

4- Flash-память

Запоминающая ячейка представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. При программировании микросхемы между коллектором и эмиттером создается канал – поток электронов, некоторые из которых – высокоэнергетические – преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где могут храниться в течение нескольких лет. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Когда Вы стираете с флэшки какой-либо файл, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

5-магнитные нанокомпозиты

Во многих случаях в качестве матриц для их создания используют различные пористые материалы, размер полостей которых лежит в нанометровом диапазоне. В эти поры можно вводить различные соединения, а затем, после химической модификации, получать частицы искомого материала, размер и форма которых повторяют форму полостей матрицы, а ее стенки предотвращают их агрегацию и защищают от воздействий внешней среды. Этот подход позволяет синтезировать наночастицы самых различных химических соединений. 

При уменьшении размеров частиц ферромагнетика при достижении определенной критической точки происходит переход в суперпарамагнитное состояние, в котором магнитные моменты частиц разупорядочиваются из-за тепловых флуктуаций. Для сферических частиц железа этот размер составляет около 5 нм. Однако если наночастицы имеют нитевидную форму, происходит фиксация магнитного момента вдоль длинной оси частицы и магнитно-упорядоченное состояние может сохраняться, если эти наночастицы закреплены в системе упорядоченных пор.

Другой интересной матрицей для получения одномерных наночастиц является пористый оксид алюминия. Этот материал имеет систему цилиндрических пор, располагающихся параллельно друг другу перпендикулярно плоскости пленки, причем при соблюдении определенных условий массивы этих пор могут обладать гексагональным упорядочением. Одним из методов получения магнитных нанокомпозитов в такой матрице является электрохимическое осаждение в поры магнитных металлов, например, никеля. При этом магнитные наночастицы располагаются в матрице не параллельно, а перпендикулярно поверхности подложки. Такой образом, становится возможным контролировать количество осажденного металла, варьировать длину получаемых частиц, а также их ориентацию относительно подложки.  МАССИВЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ

При сканировании массива частиц Fe-Cr (Железо-Хром) в двухпроходном магнитно-силовом микроскопе были обнаружены особенности, связанные с изменением направления магнитного момента под действием магнитного поля зонда микроскопа. Размер частиц 700 × 280 нм, толщина 20 нм. Первоначально были перемагничены три соседние частицы, затем одна из них (центральная) была возвращена в начальное состояние.

Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Однако контролировать все эти факторы при синтезе примерно одинаковых по размерам и химическому составу наночастиц удается далеко не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться.

ПАМЯТЬ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ АТОМОВ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ

Первый прорыв заключается в получении возможности измерять магнитную анизотропию на уровне одного атома. Магнитная анизотропия, это неодинаковость магнитных свойств тел по различным направлениям.

Второе достижение: создание первого в мире логического ключа, состоящего из одной молекулы. Ключ может функционировать, не нарушая целостности внешней структуры молекулы. Как утверждается, это значительный шаг к созданию элементов вычислительной техники, которые будут гораздо компактнее, быстрее, холоднее и экономичнее, чем существующие.

Актуальность этих достижений обусловлена тем, что традиционная технология производства полупроводниковых приборов, манипулирующая слоями вещества, приблизилась к физическому пределу своих возможностей.

8

Основные направления и перспективы развития нанотехнологий в области энергетики.

• Использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы).

• Хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки).

• Уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности).

• Использование альтернативных (более распространенных) материалов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктурированные оксиды металлов при катализе).

Виды пребразователей энергии

1 Солнечные батареи.

1.1 Органические солнечные батареи (используется новый органический краситель, который дешевле рутения; используют новый тип электролита -

Гретцель в сотрудничестве с Китайской Академией Наук нашли альтернативу летучим электролитам, требующих герметизацию панелей и красителям на основе дорогого металла рутения и создали новый тип фотоэлемента на красителях, не только высокоэффективный, но и дешевый и более прочный. Ключ к новой технологии – новый органический краситель, который уменьшает стоимость панелей благодаря дешевизне по сравнению с красителями на основе рутения. Также исследователи использовали новый тип электролита, называемый ионной жидкостью. Фотоэлементы Вонга и его коллег достигли КПД в 9,8% в то время как фотоэлементы на основе красителя имеют в КПД среднем 4-5%

1.2 Тонкопленочные солнечные элементы.

Одним из наиболее эффективных абсорберов солнечного света является соединение Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Рекордная эффективность преобразования 19,9 % характерна для CIGS СЭ с площадью всего 0,4 см² и обеспечивается одновременным соиспаре-нием четырех элементов - Си, In, Ga и Se. Для создания высокоэффективного изделия необходимо получить пленочный слой CIGS толщиной 1-2 мкм с поликристаллической крупнозернистой структурой типа халькопирита и определенной кристаллографической ориентацией. Монолитно-интегрированный модуль (МИМ) чаще всего представляет собой стеклянную подложку, на которой с помощью тонких пленок соединены в единую батарею десятки и сотни единичных СЭ, выполненных в геометрии узких и длинных полос - стрипов. Полученные методом реактивного магнетронного распыления слои CIGS использовались для изготовления лабораторных МИМ СЭ на стеклянных подложках размера 100 х 100 мм. Каждый модуль содержал от 25 до 34 последовательно соединенных СЭ, ширина которых варьировалась в пределах 0.5-1 мм. Таким образом, пленки CIGS, сформированные методом реактивного магнетронного распыления, демонстрируют параметры, позволяющие изготавливать тонкопленочные МИМ СЭ с уровнем эффективности не хуже средних в современном производстве аналогичных приборов. Поскольку при использовании этого метода отсутствуют серьезные ограничения по масштабированию, можно полагать, что в ближайшее время он займет достойное место в производстве изделий для солнечной энергетики.

2. Топливные элементы.

Уже сегодня топливные элементы на порядок превышают показатели лучших образцов традиционных батарей. Если обычный ионно-литевый элемент может обеспечить 300 Вт/ч из расчетов на литр объема, то топливный элемент, работающий на метаноле, теоретически сможет выдавать 4800 Вт/ч из расчетов на литр объема. Это означает, что время работы мобильного телефона без подзарядки превысило бы календарный месяц, а ноутбуки, оснащенные такими батареями, работали бы автономно сутками. Ученные из университета Висконсин нашли новое решение. В результате своих исследований они смогли не только значительно увеличить КПД элемента, но и открыть более простые и недорогие технологии. Роль материала топливных каналов выполнял фильтр, состоящий из пористой окиси алюминия, стоимость которой не превышает 100 долларов. Такой фильтр пронизан мельчайшими цилиндрическими отверстиями, диаметр которых не превышает 200 нм, и используется в лабораторных условиях для выращивания нанопроводников. Исследователи в фильтре вырастили нанопроводники из сплава меди и платины и, растворив медь, добавили в фильтр азотную кислоту. В результате, медь растворилась в азотной кислоте, и каждое отверстие этого фильтра вместо цельных проводников оказалось заполнено пористыми платиновыми электродами. Такие проводники имеют огромную площадь рабочей поверхности и чрезвычайно сложную структуру. Далее, исследователи заполнили поры «титановой губки» раствором NaBH4 и поместили лист фильтрующей электролитической бумаги между массивами из нанотрубок, обеспечивая тем самым выход ионов водорода. Электроды можно подводить к любому участку внешней поверхности данного элемента, а это значительно упрощает подключение источника питания. Такие элементы можно соединять как параллельно, так и последовательно, изменяя таким образом напряжение и силу тока в батарее. Еще находясь на стадии прототипа, этот новый элемент в 10 раз превзошел по своей эффективности современные топливные элементы, которые изготовлены при помощи литографических технологий и оказался намного дешевле в изготовлении.

Накопители энергии

1. Суперконденсаторы.

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали новое уникальное устройство – фотоэлектрохимический суперконденсатор – способное прямо преобразовывать солнечную световую энергию в электрическую и параллельно накапливать ее с высокой плотностью в двойном электрическом слое электродов на основе различных нанопористых материалов. В качестве накопителей в автономных солнечных электростанциях обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи- цена за 1 kWh энергии, отдаваемой таким аккумулятором в течение всего срока службы, составляет немало – 0,3–0,35 $USА. Сотрудники ФИАН нашли способ уменьшения стоимости солнечной электроэнергии – фотоэлектрохимический суперконденсатор совмещающий в себе полупроводниковый солнечный элемент и накопитель энергии с двойным электрическим слоем на основе нанопористых материалов. Устройство состоит из многокомпонентного фотоэлектрода, нанопористых отрицательного и положительного электродов, пористого сепаратора, разделяющего положительный и отрицательный электроды, и электролита. Для изготовления электродов устройства предлагается использовать нанопористые углеродные материалы с заданным средним размером нанопор. Благодаря нанопористой структуре один грамм таких материалов будет иметь площадь поверхности до 1400–1600 м2, а электрическую емкость (в некоторых электролитах) – до 1500 фарад. Это означает, что каждый кубический сантиметр «нанопористого конденсатора» способен накопить в среднем в 1 000 000 раз больше энергии, нежели обычный классический конденсатор. Расчетная цена 1 kWh выработанной электроэнергии PES-фотоконденсатора составляет около 0,1$USA Как показывают проведенные расчеты, PES-фотоконденсаторы могут обладать удельной разрядной энергией не менее 12 Wh/kg, энергетической эффективностью 10% и циклическим ресурсом более 7 000 циклов (а это более 15 лет непрерывной эксплуатации)