Chip pamięci rodem z piekieł. Przetrwa na Wenus i we wnętrzu wulkanu
Eksploracja najmniej przyjaznych miejsc we wszechświecie wymaga elektroniki, która nie ulegnie stopieniu po kilku minutach pracy.
Standardowe układy scalone to urządzenia niezwykle wrażliwe na najmniejsze wahania temperatur. Międzynarodowy zespół badaczy stworzył jednak układ, który bez problemu przetwarza dane w temperaturze 700 stopni Celsjusza.
Standardowe układy krzemowe, z których korzystamy na co dzień w naszych smartfonach czy laptopach, kapitulują już przy temperaturach, które dla domowego piekarnika są normą. W ekstremalnych warunkach ich misterne, wewnętrzne warstwy zaczynają się nagrzewać, topić i sklejać ze sobą. Prowadzi to do błyskawicznego zwarcia. Rozwiązaniem tego problemu okazał się nowy wynalazek – memrystor zdolny do pracy w warunkach, w których dosłownie topi się aluminium.
Międzynarodowy wysiłek i atomowy przełom
Opublikowana w prestiżowym czasopiśmie „Science” praca to owoc imponującej, międzynarodowej współpracy. Głównym autorem badania, który fizycznie zbudował ten niezwykły układ, jest Jian Zhao z University of Southern California (USC). W projekcie brali udział eksperci z wielu dziedzin, a pomiary i charakteryzacja materiałów to zasługa zespołu doktora Sabyasachiego Ganguliego z Air Force Research Laboratory (AFRL). Za analizy teoretyczne odpowiadała grupa z USC (między innymi Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano, Priya Vashishta) oraz naukowcy z japońskiego Uniwersytetu Kumamoto (Fuyuki Shimojo). Całość prac koordynował z ramienia USC profesor J. Joshua Yang, a inżynierowie (w tym Qiangfei Xia, Miao Hu, Ning Ge) już powołali do życia startup TetraMem, by docelowo skomercjalizować tę technologię.
Trzy warstwy i niezwykła fizyka
Sekretem niesamowitej wytrzymałości jest unikalna, potrójna budowa nowego memrystora (urządzenia będącego hybrydą przechowującej informacje pamięci oraz procesora). Zamiast polegać na tradycyjnych strukturach, badacze sformowali mikroskopijną warstwową strukturę z ekstremalnych materiałów:
- Góra: wolfram – metal charakteryzujący się najwyższą temperaturą topnienia ze wszystkich znanych nam pierwiastków (zaczyna topić się dopiero przy ponad 3400°C).
- Środek: tlenek hafnu – materiał ceramiczny pełniący rolę solidnego izolatora.
- Dół: grafen – siatka atomów węgla o grubości zaledwie jednej warstwy.
Istotna dla sukcesu układu okazała się fizyka powierzchni. W tradycyjnych elementach ekstremalne ciepło sprawia, że materiały zaczynają płynąć i się przenikać. Tymczasem grafen i wolfram na poziomie atomowym po prostu się „nie lubią”. Odpychają się od siebie niczym woda i olej, a ta naturalna właściwość fizycznie blokuje możliwość powstania zwarcia, nawet gdy ciepło przekracza granice wytrzymałości aparatury testowej.
Od wulkanów po kosmos
Testowany w laboratorium prototyp pracował bez chwili wytchnienia przez pięćdziesiąt godzin. W tym czasie przetworzył ponad miliard operacji przy napięciu zaledwie 1,5 wolta, tkwiąc w piecu rozgrzanym do 700°C – bo wyższej temperatury nie potrafiła wygenerować sama aparatura badawcza zespołu.
Zastosowanie takiej technologii otwiera przed nami zupełnie nowe horyzonty. Twórcy wierzą, że po ustandaryzowaniu produkcji ich urządzenia staną się sercem zaawansowanych sond. Sprzęt ten wreszcie będzie w stanie przetrwać w gęstej, toksycznej i morderczo gorącej atmosferze Wenus. Rewolucyjne chipy mogą także usprawnić systemy monitorujące wnętrza reaktorów jądrowych oraz ułatwić zarządzanie narzędziami używanymi podczas najgłębszych, geotermalnych odwiertów w głąb naszej własnej planety.
Ten chip Wi-Fi przetrwa wewnątrz reaktora jądrowego. Przełomowa inżynieria z Japonii
