Институт нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте, центр науки и техники в наномасштабе XXI века, отпраздновал свое 20-летие специальным симпозиумом и беседой у камина между президентом Томасом Ф. Розенбаумом и лауреатом премии Кавли 2022 года Джорджем М. Уайтсайдсом (доктор философии '64). ) из Гарвардского университета 7–8 марта 2024 г.
На протяжении всей истории люди восхищались большими вещами. Гигантские тыквы, удостоенные Голубой ленты, 7-футовые люди, Великая пирамида Гизы и сам космос – все это захватило воображение человечества. Но от изобретения оптического микроскопа в 16 веке до кремниевого микрочипа в середине 20 века учёных и инженеров одинаково интересовали очень-очень маленькие вещи. Теперь, с появлением сложных инструментов микроскопии, крошечные объекты размером в несколько нанометров могут быть измерены исследователями, такими как исследователи из Института нанонаук Кавли (KNI) Калифорнийского технологического института, который отпраздновал свое 20-летие специальным симпозиумом и беседой у камина между Президент Калифорнийского технологического института Томас Ф. Розенбаум и лауреат премии Кавли 2022 года Джордж М. Уайтсайдс (доктор философии '64) из Гарвардского университета, 7–8 марта 2024 года.
Насколько мал нанометр? Если вы думаете «маленькое», думайте меньше. Нано, по-гречески карлик, составляет одну миллиардную метра: 0,000000001 (10-9 метров). Один лист обычной бумаги в 10 000 раз толще нанометра, как диаметр одной пряди человеческого волоса. Один нанометр — это длина около 10 атомов в зависимости от атома. Или, чтобы держать его поближе к дому, учтите следующее: ваш ноготь растет примерно на 1 нанометр каждую секунду.
Несмотря на свой исчезающе малый размер, наноматериалы могут быть невероятно прочными (более ударопрочными, чем, например, кевлар) и способны совершать удивительные действия, которые мы только начинаем осваивать, такие как способность преломлять свет назад.
Говорят, что нанотехнология, определяемая в настоящее время как проектирование, изготовление или использование структур размером от 1 до 100 нанометров, началась в 1981 году с разработки сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который способен сканировать и отображать отдельные атомы. . Десятилетиями ранее это было предсказано покойным профессором Калифорнийского технологического института Ричардом Фейнманом в речи 1959 года перед Американским физическим обществом «Много места внизу», где он говорил о миниатюризации компьютеров и хранении 120 000 томов библиотеки Калифорнийского технологического института «всего лишь на одном компьютере». библиотечная карта."
Хотя ученые Калифорнийского технологического института начали экспериментировать с нанотехнологиями, как только они стали доступны, только после создания KNI и строительства «чистой комнаты» KNI в 2003 году на территории кампуса существовало единственное место, где размещались приборы, способные практически ко всем аспектам нанопроизводства: фото-, ионно- и электронно-лучевая литография, осаждение, мокрое и сухое травление, электронная микроскопия и многое другое. В свою очередь, это способствовало сотрудничеству между исследователями в кампусе, занимающимися наномасштабными явлениями. Фред Кавли из Фонда Кавли сыграл важную роль в мозговом штурме будущего нанонауки вместе с преподавателями и администрацией Калифорнийского технологического института, а также предоставил первоначальное финансирование вместе с Фондом Гордона и Бетти Мур. Позднее финансирование поступило от Фонда Флетчера Джонса, Чака и Джуди Уитли, а также от проекта «Космическая солнечная энергия».
KNI предоставил ученым Калифорнийского технологического института в кампусе и Лаборатории реактивного движения, а также исследователям из других университетов и компаний возможность работать в наномасштабе. Сегодня около 10 процентов преподавателей Калифорнийского технологического института или членов их исследовательских групп используют инструменты KNI. Центр привлекает исследователей из разных научных дисциплин, включая прикладную физику, материаловедение, биологию, химию, инженерное дело и астрономию. «После того как пользователи проходят полное обучение и получают разрешение на использование оборудования, они получают доступ к объекту круглосуточно и без выходных», — объясняет Тиффани Кимото, исполнительный директор KNI. «На протяжении многих лет у нас также было несколько корпоративных пользователей, которые использовали наши возможности, в том числе Samsung, Meta, Nokia и несколько стартапов, особенно основанных сотрудниками Калифорнийского технологического института».
«Приятно думать обо всем, что возможно на наноуровне, и о том, сколько еще проблем остается», — говорит Джулия Р. Грир, директор KNI Фонда Флетчера Джонса, а также профессора материаловедения и механики Рубена Ф. и Донны Меттлер. и медицинская инженерия. «Мы очень близки к изготовлению, манипулированию и визуализации образцов на атомном уровне, что практически каждый день способствует новым открытиям».
Проекты, реализуемые в KNI, включают создание прототипов новых материалов, которые могут противостоять ударам или хранить энергию, выращивание и определение характеристик квантовых материалов и двумерных материалов Ван-дер-Ваальса для топологических квантовых устройств и нанофотоники, идентификацию редких белков и создание наноустройств, которые соединяют одиночные фотоны с отдельными атомами. и наноустройства, которые могут хранить и испускать фотоны по требованию. Это лишь некоторые из способов, которыми исследователи Калифорнийского технологического института работают над передовыми достижениями науки с помощью KNI.
Нанофотоника
В 2009 году исследователи KNI создали оптико-механический кристалл, способный улавливать световые и звуковые вибрации вместе, открывая возможность отправлять большие объемы информации, а также обнаруживать и взвешивать отдельные макромолекулы. Создание крошечных оптических полостей позволило ученым создавать световые волны, известные как солитоны, которые циркулируют бесконечно, а не рассеиваются. Эти крошечные световые коробочки были спроектированы в KNI с периодическим наноструктурированием, которое заставляет ионы редкоземельного иттербия отскакивать вперед и назад, что позволяет обнаруживать и собирать эмиссию фотонов. В процессе работы с иттербием было обнаружено новое явление: атомы, прозрачные для определенных частот света. Свет лазера обычно отражается от атома, но при настройке частоты он может создать то, что исследователи называют «коллективно индуцированной прозрачностью». Как работает эта новая область физики, все еще изучается.
No comments:
Post a Comment