Материалтану
Ғарыштық техникаға арналған наноматериалдар мен наноқұрылғылар
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Ғарыштық техникаға арналған наноматериалдар мен наноқұрылғыларҒарыш саласы дәстүрлі түрде көптеген салалардың үздік ғылыми - техникалық жетістіктерін біріктіреді: материалтану, электроника, есептеу техникасы, биология, медицина және т.б. бұл ретте ғарыш техникасын пайдаланудың төтенше жағдайларын ескере отырып, ол үшін бірегей материалдар мен олардың негізінде бұйымдар жасалады, бұл өз кезегінде сабақтас салаларды дамыту үшін қуатты ынталандыру болып табылады. Сондықтан, ғарыш техникасында наноматериалдар мен нанотехнологияларды қолдану мүмкіндіктері мен перспективаларын қарастыра отырып, оны жасауға арналған мамандандырылған әзірлемелерді ғана емес, сонымен қатар ғарыш саласында сұранысқа ие болуы мүмкін нанотехнологиялар саласындағы көптеген басқа идеялар мен жетістіктерді де ескеру қажет. Нанокомпозиттер және биотектес наноматериалдар Нанотехнологияның көмегімен негізінен матрицалық композиттер жасалады. Матрицалық материалдардың рөлін полимерлер (эпоксидті шайырлар, нейлон, полиимид және т.б.), металдар мен қорытпалар, көміртекті материалдар және әртүрлі керамика атқара алады, ал толтырғыштар рөлін көміртекті нанотүтікшелер, фуллерендер, графен таспалары, металл және металл емес нанобөлшектер, нанофибрлер атқара алады. - Сур. 7.18 электронды микроскоптың көмегімен алынған композиттер үлгілерінің суреттері келтірілген, олардың бірінде матрица NiAl қорытпасы, ал толтырғыш – диаметрі шамамен 1 нм (а) болатын WC дәндері, екіншісінде матрица ретінде полистирол, ал толтырғыш ретінде графен таспалары (б) қолданылады. Нанотехнологияның көмегімен жасалған композиттер екі түрге бөлінеді: нанокомпозиттер және нано-нанокомпозиттер. Біріншісіне наноөлшемді қосындылар қолданылатын композиттер кіреді, бірақ матрица наноқұрылымды емес, ал нано – қосылыстардан басқа наноқұрылымды матрицаға ие. Полимерлі матрицаларға негізделген нанокомпозиттерді дамытуға ерекше көңіл бөлінеді. Атап айтқанда, "POSS-полимерлер" деп аталатын зерттеулер жүргізілуде, оларды құру кезінде органикалық және бейорганикалық заттардан тұратын және нанопорлы құрылымы бар полиэдралды олигомерлі силсесквиоксанның (ПОСС) нанофилдері толтырғыш ретінде қолданылады. Мұндай полимерлер жылу кедергісін, сондай-ақ радиациялық және химиялық әсерлерге төзімділікті арттырды, бұл оларды ғарыш техникасында қолдануға өте перспективалы етеді. ПОСС- полимерлердің ҒКФ әсеріне жоғары төзімділігі ХҒС бортындағы осындай материалдардың үлгілерін сынау нәтижелерімен расталған. Композиттерді жасау үшін наноөлшемді элементтерді пайдалану олардың қасиеттерін едәуір жақсарта алады. Бейнелеп айтқанда, егер микродиапазонда орналасқан өлшемдері бар элементтерді қолданған кезде, композит компоненттерінің қасиеттері қосылса, онда нанодиапазонға көшу кезінде олар матрицамен және бір-бірімен күшті өзара әрекеттесу нәтижесінде көбейеді. Жүктелетін құрылымдық элементтерді жасау үшін керамикалық материалдарды таңдағанда, олардың әдетте, жоғары қаттылық пен ыстыққа төзімділігі ескеріледі, бірақ олардың жалпы кемшілігі-сынғыштық. Керамиканың нәзік бұзылуы олардағы микроскопиялық ақаулардың болуымен байланысты, олар жарықтардың пайда болу орталығы ретінде қызмет етеді. Наноұнтақтарды бастапқы компоненттер ретінде пайдалану керамиканы жентектеу кезінде олардың тығыз қаптамасына қол жеткізуге мүмкіндік береді, бұл ақаулардың санын азайтады.
Сур. 5.18. Нанокомпозит үлгілері Жақын болашақта нанокомпозиттер мен нанокерамиктер, әрине, металл материалдардан жасалған көптеген құрылымдық элементтерді біртіндеп алмастыра отырып, ҒА құруда кеңінен қолданылады. Оларды қолданудың маңызды бағыттарының бірі әртүрлі функцияларды орындайтын жабындарды құру болып табылады: механикалық және радиациялық қорғаныс, атмосфераға кірген кезде термиялық қорғаныс және ұшу кезінде қажетті жылу режимін қамтамасыз ету, ҒА бетіне қажетті оптикалық және электрлік сипаттамаларды беру және т. б. Талқыланатын материалдар олардың қасиеттерінің әртүрлілігі мен бірегейлігіне байланысты зияткерлік жүйелерді қоса алғанда, ҒА борттық аппаратурасын жасау кезінде де пайдаланылатын болады. Ғалымдар мен дизайнерлер ұзақ уақыт бойы әртүрлі бейорганикалық материалдар мен техникалық құрылғыларды беруге тырысқан көптеген қасиеттер тірі материя элементтеріне ие. Нанотехнология тірі табиғатқа еліктеудің нақты мүмкіндігін ашады, яғни биологиялық объектілерді құру мен жұмыс істеудің кейбір сипаттамалық принциптерін еліктеу, сонымен қатар бейорганикалық элементтермен қатар наноматериалдар мен наножүйелердің элементтерінде осындай объектілерді тікелей пайдалану. Нанотехнологиялар көмегімен биологиялық объектілерді имитациялайтын және олардың жұмыс істеу принциптерін (biomimetic materials and bioinspired systems) пайдаланатын материалдар мен жүйелерді құру өте перспективалы бағыт болып табылады. Мұндай материалдар мен жүйелерді тек бейорганикалық элементтер негізінде немесе биологиялық объектілерді қолдана отырып құруға болады, ал оларды құру кезінде өзін-өзі жинау процестері жүзеге асырылуы мүмкін. Тірі табиғатта сүйектердің құрылысы және зақымдану жағдайында оларды қалпына келтіру кезінде биоминералдау процесі жүретіні белгілі, ол бейорганикалық кальций бар қосылыстарды жұмсақ, тірі тіндермен дәйекті түрде сіңіріп, олардың диаметрі шамамен 5 нм және ұзындығы 20-200 нм нанокристалдардан тұратын сүйек құрылымдарына айналады. Мұндай процестерді модельдеу үшін электролиттердегі қабаттарды тұндыру немесе бүрку арқылы көп қабатты наноқұрылымдарды құру технологиялары қолданылады. Ғарыштық құрылымдар үшін өте маңызды өзін-өзі емдеу немесе өзін-өзі емдеу функциясы материалдарға нанобөлшектері бар коллоидты ерітінділерді енгізу арқылы да жүзеге асырылуы мүмкін. Зақымдану аймағындағы ерітінділердің коагуляциясы пайда болған ақауды жояды (сурет. 7.19). Сур. 5.19. Био тәрізді өзін-өзі емдейтін материал: а-кеңістіктік жасушалардан тұратын материал; б-жасуша қабырғалары арасындағы коллоидты ерітінді; в – жарықшақты нанобөлшектермен байланыстыру Бір қызығы, механикалық зақымдануды жоюдың ұқсас принципі бұрын зертханалық жағдайда материалға 60 мкм диаметрі бар шыны түтіктерді сұйықтықтармен бөлек толтыру арқылы жүзеге асырылды, олар зақымдалған аймақтағы түтіктердің бұзылуына байланысты араласқан кезде тез қатаяды. Аэроғарыштық техниканың өзін-өзі емдейтін материалдарын жасау бойынша жұмыстардың тағы бір бағыты металл өткізгіштік түрі бар КНТ толтырғыш ретінде нанокомпозиттерді қолдану болып табылады. Материалдың электр өткізгіштігін өлшеу арқылы оның механикалық зақымдану аймағын анықтауға болады, содан кейін күшті электр импульсін беру арқылы полимер матрицасын зақымдану аймағында жартылай ерітіп, нәтижесінде пайда болған ақауды жоюға болады. Терең кратерлер мен тесіктерді тез жоюға қабілетті өзін-өзі емдейтін материалдар мен құрылымдар табиғи және жасанды шыққан қатты бөлшектердің әсерінен қорғаныс үшін өте қажет. Осындай қасиеттері бар жұқа серпімді материалдар ғарыш кеңістігін құруда қолданылады. Мұндай материалдарды ғарышкерлердің қорғаныш киімдерін жасау үшін де қолдануға болады немесе денеге тікелей қолдануға болады ("екінші тері"деп аталады). ҒА соққы әсерінен қорғаудың перспективті әдісі ретінде көптеген нанобөлшектері бар сұйықтықпен толтырылған серпімді қабықтарды қолдануды қарастыруға болады, олар соққы толқынының энергиясы жұтылған кезде қатты күйге өтеді. Осындай құрылымдардың негізінде дене броньдары жасалды. Мұндай жүйелерді ҒА қорғаныс экрандары ретінде пайдалануға кедергі- сұйықтықтың қатты күйге ауысуының жеткілікті ұзақ уақыты (10-4–10-3 с) болып табылуында. ҒА борттық жабдықтарының элементтері Жоғарыда айтылғандай, литографияның дәстүрлі әдістерімен жасалған қазіргі заманғы кремний интегралды схемаларының топологиялық элементтерінің өлшемдері 100 нм-ден аз болуы мүмкін, яғни ресми түрде мұндай нысандар наноөлшемді нысандар санатына жатады. Алайда, диодтар, транзисторлар және кез-келген наноқұрылымдар негізінде құрылған және наноөлшемді нысандарға тән жаңа физикалық принциптерде жұмыс істейтін әртүрлі логикалық құрылғылар наноэлектроника элементтеріне жатады. Жоғарыда айтылғандай, КНТ өткізгіштік түрі түтіктің бетін құрайтын алтыбұрышты жасушаларға қатысты олардың бойлық осінің бағытымен анықталады. Хиральдік бұрышпен сипатталатын нанотүтікшенің осы белгісіне байланысты өткізгіштік типіндегі КНТ металдарға немесе жартылай өткізгіштерге қатысты болуы мүмкін. Бірінші жағдайда, КНТ өткізгіштігі мысқа қарағанда шамамен 3 ретті жоғары болуы мүмкін, ал екінші жағдайда өткізгіштік түтікке әсер ететін көлденең электр өрісіне байланысты болады. КНТ-ның бұл қасиеттері олардың негізінде диодтар мен транзисторларды жасау үшін өте ыңғайлы етеді, олардың өндірісінде КНТ- ның өткізгіштік мөлшері олардың диаметріне байланысты болатындығын ескереді. КНТ негізіндегі қарапайым диодты әртүрлі өткізгіштігі бар екі қосылған нанотүтікшелер түрінде ұсынуға болады. КНТ - да диодты құру мүмкіндіктерінің бірі-әр түрлі хиральды бұрыштары бар екі бөліктен тұратын, иілген түтікті пайдалану (сурет. 7.20 а). Металл арқылы электр кернеуі түтіктің ұштарына қолданылады (Au) контактілері көрсетілгендей сур. 7.20 б. мұндай түтіктердің иілу аймағында құрылым бесбұрышты және алтыбұрышты жасушалардың пайда болуына байланысты бұзылады. Металл және жартылай өткізгіш өткізгіштігі бар түтіктердің бұл комбинациясы диод құрылымдарына тән "металл– жартылай өткізгіш" гетероауысуын құрайды.
Сур. 5.20. Иілген УНТ (а) және оның негізіндегі диодтың схемасы (б) Қарапайым транзисторды құру кезінде (сурет. 7.21) түтік (1) SiO2 (3) оксид қабаты арқылы Si (4) өткізгіш субстратынан оқшауланған екі металл түйіспенің (2) арасына орналастырылады, ол әдеттегі өріс транзисторындағыдай ысырма рөлін атқарады. UЗ және қақпасындағы кернеуді өзгерту арқылы, сәйкесінше, КНТ көлденең электр өрісіне әсер ете отырып, түтік арқылы өтетін ток кең ауқымда өзгеруі мүмкін. Мұндай транзисторларды аналогтық және сандық тізбектерде де қолдануға болады Сур. 5, 21. (а) және (б) өріс эффектісі транзисторының КНТ-ға арналған схемасы Сур. 5.22. Тармақталған КНТ: Y-тәрізді (А) және T-тәрізді (б) КНТ дайындау технологиясының дамуы тармақталған Y-тәрізді және T-тәрізді түтіктерді алуға мүмкіндік берді (сурет. 7.22). Мұндай құрылымдар іс жүзінде дайын өріс транзисторлары болып табылады. Егер сіз құрылымның "магистралын" ысырма ретінде, ал "бұтақтарды" қайнар көзі мен ағызу ретінде қолдансаңыз, өріс эффектісі транзисторына тән вольт – Ампер сипаттамаларын алуға болады. Сипатталған құрылғыларды КНТ негізінде және түтік байламдарын қолдана отырып, сонымен қатар нанотүтікшелердің орнына графен таспаларын қолдана отырып жасауға болады. Шағын ҒА функционалдық мүмкіндіктерін едәуір кеңейтуге мүмкіндік беретін және көптеген перспективалық ғарыш жобаларын іске асыруға ықпал ететін, шағын өнімділігі жоғары компьютерлерді құру үшін чип қаптамасының жоғары дәрежесі бар ауыстырып қосқыш құрылғылар қажет. Нанотүтікшелерді қолдану-бұл мәселені шешудің бір жолы. Сур. 5.23. (а) схемасы және КНТ негізіндегі ауыстырып-қосқыш құрылғының болжамды құрылымы (б) 5.23 - сур. а коммутациялық құрылғының ұяшығы схемалық түрде көрсетілген (сурет. 7.23 б) қабаттар арасында белгілі бір алшақтық бар қиылысатын КНТ. Түтіктер арқылы өтетін токтарды (I1-I3) өзгерту арқылы оларды қиылысу нүктелерінде өлшеуге және ашуға болады, осылайша қажетті логикалық операцияларды орындайды. 1 см2-ге 1012 қосқышты орналастыруға болады деп болжанады, бұл қазіргі уақытта қол жеткізілген қаптаманың тығыздығынан 3-4 есе жоғары. Сонымен қатар, коммутация жылдамдығы қолданыстағы құрылғылармен салыстырғанда 100 есе артуы керек. Металл және жартылай өткізгіш түтіктердің ауыспалы қабаттарын қолдану арқылы мұндай түйіндердің функционалдығын КНТ-ғе кеңейтуге болады. Нанотүтікшелерді олардың жоғары электр және жылу өткізгіштігінің арқасында тығыз оралған чиптерде байланыстырушы өткізгіштер ретінде пайдалануға болады. КНТ-ның айтарлықтай меншікті беті оларды электронды құрылғыларды құру кезінде ғана емес, сондай-ақ ҒА электрмен қоректендіру жүйелерінде жинақтаушы элементтер ретінде де қолдануға болатын үлкен сыйымдылықтағы (суперконденсатор) суперминиатюралық конденсаторларды жасау үшін материал ретінде қарастыруға мүмкіндік береді. Болашақ ҒА борттық жүйелерін құру үшін элементтік базаны дамыту жолдарын талдау кезінде жоғарыда аталған екі бағыттың: фотоника және спинтрониканың перспективасын тағы бір рет атап өткен жөн. Жаңа элементтер базасын қолдану 1980-ші жылдардың басынан бері белсенді талқыланып келе жатқан кванттық есептеу идеясын іс жүзінде жүзеге асыруды едәуір жылдамдатады және оның негізінде ХХІ ғасырдың болашақ ғарыштық жобаларында тиімді пайдалануға болатын әртүрлі типтегі кванттық компьютерлерді құруды жүзеге асыру қажет. Тікелей ҒА бортында ақпараттың үлкен көлемін тез өңдеу. Нанотехнологиялар және олардың көмегімен жасалған наноматериалдар физикалық объектілердің кең ауқымының параметрлерін тіркеу және анықтау үшін әртүрлі сенсорларды жасау үшін мүлдем жаңа мүмкіндіктер ашады. Бір қызығы, наносенсорлардың көпшілігі қолданыстағы Сенсорлардан кішкентай өлшемдерімен ғана емес, сонымен қатар жақсы сипаттамаларымен де ерекшеленеді. Мысалы, олар газ қоспасында белгілі бір типтегі жеке молекулаларды анықтауға және олардың массасын өлшеуге мүмкіндік береді. Нанотүтікшелер мен наносенсорларды жасау үшін органикалық және бейорганикалық молекулалар кеңінен қолданылады. Қарапайым сенсор-бұл ұшында бекітілген молекуласы бар КНТ (сурет. 7.24). Өткізгіш нанотүтікшені жоғары жиілікті электромагниттік өрісте тербелістер жасауға мәжбүрлеуге болады және сонымен бірге оның резонанстық жиілігін өлшеуге болады, бұл түтіктің мөлшеріне және сәйкесінше оның массасына байланысты. Егер мұндай өлшеу түтіктің соңында және одан кейін молекула бекітілгенге дейін жасалса, онда резонанстық жиіліктердің айырмашылығымен молекуланың массасын анықтауға болады. "Нановес" деп атауға болатын мұндай сенсор жеткілікті үлкен биологиялық молекулалардың массасын өлшеуге мүмкіндік береді. Сур. 5.24. Қарапайым шатырлар Нано-таразылардың сезімталдығы 7.25-суретте көрсетілген конструкцияны пайдалана отырып, КНТ-да жоғарылауы мүмкін. Бұл сенсорда КНТ (1) изоляторға орналастырылған екі алтын (2, 3) электродтардың арасына бекітілген (4) ені ~500 нм ойығы бар. Оқшаулағыш қабаттың астында тағы бір металл электрод (5) бар, яғни мұндай құрылым іс жүзінде бұрын қарастырылған КНТ-ға өріс эффектісі транзисторы болып табылады. Алайда, бұл жағдайда электродтарға қажетті кернеулерді беру арқылы қозған түтіктің механикалық тербелістерінің әсері қайтадан қолданылады. Ұсынылған жүйе резонанстық жиіліктерді дәлірек өлшеуді қамтамасыз етеді, сондықтан КНТ-ның бүйір бетіне орналастырылған молекулалардың массасы болып табылады. Резонанстық сенсордың тағы бір түрі суретте көрсетілген. 7.26. Бұл жағдайда түтіктің тербеліс сипаты автоэлектрондық эмиссия тогының мәні бойынша бағаланады, онда оның бір ұшы қатаң бекітілген, ал екіншісі түтіктің тербелмелі ұшы мен электрод арасында өтетін металл электродтан белгілі бір қашықтықта орналасқан. Осы токтың өзгеруін тіркей отырып, КНТ бетіндегі зат атомдарының массасын жоғары дәлдікпен өлшеуге болады. Сур. 5.26. Резонанстық сенсор КНТ: 1-нанотүтікшесі; 2-металл электрод; 3-зат атомдары Резонанстық сенсорлардың функционалдығын молекулалық тану әсерінен кеңейтуге болады. Сонымен, суретте көрсетілгендей соңында бекітілген молекуласы бар нанотүтік. 7.24, осы әсердің арқасында басқа молекулаларды іріктеп алуға және өлшеуге қабілетті. Сезімтал элементтердегі әртүрлі бастапқы молекулалары бар осындай сенсорлардан жасалған көп элементті құрылымдар газ қоспасы компоненттерінің берілген жиынтығын жоғары селективтілікпен анықтай алатын газ анализаторлары болады. Көп элементті нанодатқыштар негізінде жасалған газ анализаторларының жұмыс істеуі эталондық үлгілерде анализаторларды "оқытумен" нейрондық желілер қағидаты бойынша ұйымдастырылуы мүмкін. Кейде "электронды мұрындар" деп аталатын мұндай құрылғылар бірнеше мыңға дейін газ компоненттерін ("иістер") ажырата алады деп болжанады. Мұндай құрылғылар басқарылатын ғарыш аппараттары мен тұрғын ғарыштық базалардың бөліктеріндегі атмосфераның құрамын бақылау үшін өте пайдалы болады, олардың біріншісі, жоғарыда айтылғандай, алдағы он жылдықтарда Айға салынуы керек. Қарастырылған селективті сенсорларды әртүрлі мәселелерді шешу үшін қолдануға болады: Биологиялық молекулаларды іздеу (атап айтқанда, Марс бетінде автоматты құрылғылар немесе ғарышкерлер жұмыс істеген кезде), патогендік молекулалар мен вирустарды анықтау, технологиялық процестерді бақылау және т. б. Нанотехнологиялар механикалық әсерлердің, үдеулердің, электромагниттік өрістердің жоғары сезімтал сенсорларын жасауға мүмкіндік береді. Мұндай сенсорлардың ерекшелігі-жылжымалы бөліктердің болуы, бұл олардың көмегімен механикалық әсерге жауап ретінде электрлік сигнал алуға және керісінше электрлік әсерге механикалық реакция жасауға мүмкіндік береді. Осы негізде бұл сенсорларды наноэлектромеханикалық жүйелерге жатқызуға болады. Наноэлектромеханикалық жүйелерді (НЭМЖ) дамыту қолданыстағы микроэлектромеханикалық жүйелерді (МЭМЖ) миниатюралау процесінің табиғи жалғасы болып табылады. Алайда, НЭМЖ элементтерін құру кезінде нано-объектілердің қасиеттерінің ерекшеліктері міндетті түрде ескеріледі, олар үшін үйкеліс, молекулалық тарту және электростатикалық өзара әрекеттесу күштерінің рөлін едәуір арттырудан тұрады. Сур. 5.27. Ротаксан (а) молекуласы мен оның негізіндегі жад ұяшығының моделі (б) НЭМЖ элементтерін құру кезінде органикалық молекулаларды қолдануға болады. Ротаксандар деп аталатын заттар молекулалармен синтезделеді, олардың құрылымы сақина арқылы өтетін ұштарында қалыңдатылған "ось" түрінде ұсынылуы мүмкін (сурет. 5.27 а). Тану орталықтары деп аталатын осьтің ұштарындағы түзілімдер қоршаған ортамен өзара әрекеттеседі. Оларда, атап айтқанда, тотығу және тотықсыздану процестері орын алуы мүмкін. Бұл процестердің ауысуы сақинаның бір экстремалды позициядан екіншісіне ауысуына әкеледі, бұл суретте көрсетілгендей. 7.27 б. Мұндай қозғалысты осьтің ұштарына ауыспалы электр потенциалын қолдану немесе молекулаға жарық әсер ету арқылы да шақыруға болады. Сақинаны жылжытқан кезде молекуланың электрлік және оптикалық параметрлері өзгеретіні маңызды. Сондықтан сипатталған құрылым оның негізінде жады ұяшықтары мен логикалық элементтерді құруға жарамды, олар үшін "0" және "1" күйлері сақинаны осьтің шеткі позицияларында табуға сәйкес келеді (сурет. 7.27 б). Егер қозғалатын сақина қандай да бір құрылымдық элементпен тығыз байланысты болса, сіз механикалық жетекті (актюатор) аласыз, оның бір нұсқасы суретте көрсетілген. 7.28. Бұл құрылғыда екі сақиналы құрылымы бар күрделі ротаксан молекуласы қолданылады. Сур. 5.28. Ротаксан негізіндегі актюатор моделі 5.29 - сур. наномотордың моделі көрсетілген, ол екі КНТ, олардың бетіне тістер түрінде бекітілген бензол молекулалары бар. Түтіктердің айналуы молекулалар арасындағы электростатикалық әсерлесуге байланысты болады. Өте қызықты механизм-көп қабатты КНТ негізінде салынған газ нанотурбинасы (сурет. 7.30). Газ ағыны сыртқы нанотүтікшені айналдырады, ал ішкі бөлігі тұрақты болып қалады, өйткені нанотүтікшелер арасындағы үйкеліс күші өте аз. Бұл құрылымды электр көзінен қоректенетін сорғы ретінде де қолдануға болады. Сур. 5.29. Наномотор Сур. 7.30. Нанотурбинаның схемасы: 1-айналатын нанотүтікшелер; 2- қозғалмайтын нанотүтікшелер Сур. 5.31. Нановентиль құрылғысы: 1-нанотүтікше; 2-негіз; 3-консоль; 4-ұстаушы; 5-резервуар Арналардағы сұйықтық ағынын басқаруға арналған наноқұралдар жасалды. 5.31-де - сур. арна ретінде қызмет ететін кремний бір қабатты нанотүтікшенің негізінде салынған нановентиль схемасы көрсетілген. Арна кремнийден жасалған консольдің әсерінен оның бетіне қолданылатын органикалық қабаты бар, зарядтау күйі басқару резервуарындағы сұйықтықтың химиялық құрамына байланысты өзгереді. Консольдің заряды өзгерген кезде ол арнаны қысу арқылы бүгіледі немесе бастапқы күйіне оралады. Мұндай клапанның бір түрі-иілген нанотүтікшесі бар дизайн. Бір чипте электронды және электромеханикалық наноқұрылғылардың, соның ішінде сұйық сүйек пен газ ағынын басқаруға арналған құрылғылардың үйлесімі "чиптегі зертхана" (lab - on-chip) деп аталатын өте күрделі функционалды жүйелерді құруға мүмкіндік береді. Мұндай чиптердің ерекшелігі-дамыған үш өлшемді сәулет (сурет. 7.32). Сур. 5.32. Чиптегі зертхана Қарастырылған дизайн идеяларын дамытудың нәтижесі пикспутшылар класына жататын "чипте КА" құру болып табылады, олардың әртүрлі нұсқалары талқылануда. Қазіргі және перспективалы ҒА электрмен жабдықтау жүйелерінде электрохимиялық ток көздері болып табылатын отын элементтері қолданылады, олардың жұмысы үшін аккумуляторлар мен гальваникалық элементтерден айырмашылығы, отын мен тотықтырғыш электродтарға үздіксіз жеткізу қажет. Электр энергиясы электролитке батырылған кеуекті электродтардың сыртқы бетіндегі тотығу реакцияларына байланысты элементтерде шығарылады. Ең көп таралған отын элементтері, оларда сутегі отын ретінде, ал оттегі тотықтырғыш ретінде қолданылады. Сутегі-оттегі элементтері ықшам, салмағы аз, ал олардың тиімділігі 60-70% жетеді. Сонымен қатар, сутегі энергетикасы экологиялық таза болып табылады. Бұл қасиеттер сутегі-оттегі отын элементтерін ғарыш техникасында қолдану үшін өте қолайлы етеді. Алайда, ҒА-да отын элементтерін қолданған кезде олардың жұмысына қажетті газдарды, әсіресе сутекті сақтау проблемасы туындайды. Бұл мәселенің бір шешімі-көміртекті наноматериалдарға негізделген сутегі қоймаларын құру. 5.33 а суретте "бағанасы бар графен" (pillared graphene) деп аталатын оларды бөлетін КНТ-сы бар графен қабаттарынан тұратын құрылым көрсетілген. Сур. 5.33. "Бағандары бар графен" құрылымы (а) және оған қосылған Li (б) атомдары бар фуллерен молекуласы Нақты бетінің үлкен болуына байланысты мұндай құрылым сутектің едәуір мөлшерін сіңіре алады. Теориялық зерттеулер көрсеткендей, оған Li атомдарын енгізу арқылы сутекке қатысты сыйымдылықты одан әрі арттырып, оны 6-6,5% массаға дейін жеткізуге болады. Бөлме температурасында, бұл өте жақсы көрсеткіш деп саналады. Отын элементтерін құруда қол жеткізілген жетістіктерге қарамастан, қазіргі заманғы ҒА-да электр энергиясының негізгі көздері күн батареялары болып қала береді, бұл олардың тиімділігін арттыру жолдарын іздеуді ынталандырады. Бұл бағыттағы маңызды қадам көп қабатты каскадты фотоэлектрлік түрлендіргіштерді құру болды. Мұндай түрлендіргіштерде әртүрлі құрамдағы жартылай өткізгіш материалдардың қабаттарында қалыптасқан 3-5 p-n өтулер болады. Материалдар жарықтандырылған бетке жақын қабат, қысқа толқынды күн сәулесін сіңіретін етіп таңдалады, ал қабаттар бетінен алыстаған сайын сіңірілетін сәулеленудің толқын ұзындығы артады. Нәтижесінде күн спектрін неғұрлым толық пайдалануға және сәйкесінше фотоэлектрлік түрлендіргіштердің тиімділігін арттыруға қол жеткізіледі. Мысалы, GaInP–GaAs–Ge құрылымы бар үш каскадты түрлендіргіш (бетіне жақын бірінші қабат) шамамен 35% тиімділік алуға мүмкіндік берді, бұл өнеркәсіп шығаратын кремний түрлендіргіштерімен салыстырғанда шамамен 2 есе жоғары. Сур. 5.34. Кванттық нүктелердегі фотоэлектрлік түрлендіргіштің құрылғысы Өте перспективалы фотоэлектрлік түрлендіргіштер кванттық нүктелердегі түрлендіргіштер болып табылады, олардың жоғары тиімділігіне күн сәулесінің энергиясын толық сіңіру арқылы қол жеткізіледі. Бірақ, бұл жағдайда түрлендіргіштің негізгі аймағына әртүрлі мөлшердегі кванттық нүктелердің бірнеше қабаттарын енгізу арқылы қамтамасыз етіледі. Сәулеленген бетінен алыстаған сайын олардың мөлшерінің өсуі сіңірілетін сәулеленудің толқын ұзындығының ұлғаюына әкеп соғады. Сур. 5.34 p және n-типтерінің (1, 2) қабаттары арасында қоршалған базалық аймаққа әртүрлі мөлшердегі кванттық нүктелер (3) енгізілген, ал сыртқы беттерде омдық байланыстар (4) жасалған, бұл ретте түрлендіргіштің сәулеленген жағында ағартатын жабыны бар (5) осындай түрлендіргіштің құрылғысы көрсетілген. Кванттық нүктелердің мөлшерін біртіндеп өзгерту және оларды жасау үшін әртүрлі материалдарды (CdTe, CdSe, CuInS2 және т.б.) пайдалану мүмкіндігі сіңірілетін сәулеленудің толқын ұзындығына сәйкес жасалған қабаттарды дәлірек "реттеуге" мүмкіндік береді. Теориялық бағалау мұндай түрлендіргіштердің тиімділігі 60-65% жетуі мүмкін екенін көрсетеді. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|