Химия в эпоху компьютеров

1.

Химия
в эпоху
компьютеров

2.

3. Вольфрам

Вольфрам - редкий металл. Плавится чистый вольфрам при
3410°C, а кипит при 6690°C. Такая температура – на поверхности Солнца!
Основные области применения вольфрама определяются его специфическими свойствами – тугоплавкостью, химической стойкостью и
высокой механической прочностью. Этот редкий металл используется в
производстве качественных сталей, сплавов, карбидов, боридов и
специальных материалов для электронной, электротехнической и
оборонной промышленности. В начале XX в. вольфрамовую нить стали
применять в электрических лампочках, т.к. килограмма этого металла
достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных
лампочек. В этом качестве вольфрам совершенно незаменим до наших
дней. Вольфрамовая нить накала первый раз использовалась в 40-х годах,
при появлении первого поколения компьютеров на основе электронных
ламп.

4. Компьютер ENIAC - компьютер на основе электронных ламп

• Электронную
начинку ENIAC
составляло более
5000 вакуумных
ламп.
•Память на ртутных колбах
позволяла хранить информацию
объемом до полутора килобайт.

5. Германий

Германий, как и кремний, важнейший полупроводниковый
материал. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные
количества
примесей
и
их
природа.
Добавив
элемент
III
группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости. Сочетание
областей с электронной и дырочной проводимостью легло в основу
диодов и транзисторов. Вплавив индий с обеих сторон пластинки,
превращаем эту пластинку в основу транзистора. Первый в мире
германиевый транзистор создан в 1948 г. Он использовался для создания
компьютеров второго поколения. А уже через 20 лет выпускались сотни
миллионов таких приборов.
В 1964 году германий лег в основу интегральных схем. Где один кристалл
заменил тысячи транзисторов.

6. II поколение машин

Транзистор - это точечно-контактный
прибор, в котором три металлических
"усика" контактировали с бруском из
поликристаллического германия.

7. III поколение машин- поколение интегральных схем

III поколение машинпоколение интегральных
схем
С появлением
интегральных схем
зародилось третье
поколение машин.
Интегральная
схема заменяла
тысячу
транзисторов,
каждый из
которых 40
электронных
ламп.

8. Кремний

Кремниевые полупроводниковые приборы отличаются от
германиевых лучшей работоспособностью при повышенных
температурах. Технология производства полупроводниковых
приборов, состояла в том, что кремниевую пластинку покрывают
защитным слоем SiO2. Вытравив затем в нужных местах
«окошки», вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют
контакты. Для германия такая технология пока невозможна:
устойчивость его двуокиси недостаточна.
С появлением кремния и других полупроводников германий
утратил положение главного полупроводникового материала. В
1968 г. в США производилось уже намного больше кремниевых
транзисторов, чем германиевых. Однако сейчас позиции германия
достаточно прочны. Кремний незаменим в создании нанопровода.
Он используется в качестве подложки.

9. Гелий

Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому
гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к
тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Вовторых, это самая легкая из жидкостей. Жидкий гелий не
затвердевает, если, помимо температуры, на него не
действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго
такого вещества в природе нет. При температуре 2,172°К
происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия.
Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II
обладает сверхтекучестью – способностью вытекать без
трения через капилляры сколь угодно малого диаметра. Это
свойство гелия применяется в охлаждении современных
компьютеров.

10. Кобальт

Кобальтовые стали и сплавы – лучшие магнитные
материалы.
Способность сохранять магнитные
свойства после однократного намагничивания
свойственна лишь немногим металлам, в том числе и
кобальту. Очень сильные постоянные магниты получаются
во-первых из магния, никеля и кобальта, во-вторых – из алюминия,
никеля и кобальта. Свойства этих сплавов кажутся необычайными:
магнит весом 100 - 200 г удерживает груз в 20 - 30 кг!
Получить кобальтовое покрытие нужной толщины (причем
равномерной толщины!) можно всего за 4 минуты. Кобальтовые
покрытия более тверды, поэтому защитный слой кобальта можно
сделать тоньше, чем соответствующий слой никеля.

11. Медь

Медь - главный металл электротехники. Один из самых
важных, самых древних и самых популярных металлов. Известно,
что практическая прочность всех металлов во много раз меньше
теоретической. Причиной тому являются дислокации – нарушения в
кристаллической структуре металлов. Не будь дислокации,
прочность меди измерялась бы сотнями (!) килограммов на 1 мм2.
Уже получены медные «усы» – нитевидные кристаллы, практически
лишенные дислокации. Медные «усы» получают при температуре
порядка 600°C. Происходит реакция 2СuСl + Н2 = 2Сu + 2HCl.
Образующийся хлористый водород отводится в другой сосуд, где
улавливается водой. Направленному росту кристалла способствует
электрическое
поле.
Она
используется
для
создания
нанапроводников.

12. Нанопроводники

Чем соединить между собой
нанотранзисторы?
Нанопроводниками. При
диаметре проводника в 20 нм
его уже невозможно создать
«традиционным»
литографическим способом.
Уже более четверти века
ведутся разработки
высокотемпературных
полупроводниковых
материалов. Самый
перспективный из них – алмаз.
Одной перспективных
областей высоких технологий
является техническая
сверхпроводимость. Первым
сверхпроводником оказалась
ртуть. Ведутся работы по
созданию нового класса
высокопрочных проводников
на основе Cu–Nb

13. Ниобий

Для сверхпроводников практически важны две характеристики:
величина критической температуры, при которой происходит
переход в состояние сверхпроводимости, и критического магнитного
поля. При воздействии на него достаточно сильного магнитного поля
сверхпроводник утрачивает сверхпроводимость. В начале 70-х годов
была получена пленка из сплава германия с ниобием толщиной всего
в несколько тысяч атомов.

14. Ртуть

Ртуть – единственный металл, находящийся в жидком
состоянии в условиях, которые мы называем нормальными. В
жидком состоянии она обладает почти
полным комплексом
металлических свойств, в т.ч. тепло- и электропроводностью.
В 1911 г. ученые исследовали электропроводность ртути при
температуре 4,12°K, сопротивление ртути, вдруг исчезло
совсем: электрический ток проходил по ртутному кольцу, не
затухая. Так было открыто явление сверхпроводимости, и
ртуть стала первым сверхпроводником. Сейчас известны
десятки сплавов и чистых металлов, приобретающих это
свойство при температуре, близкой к абсолютному нулю.

15. Кремний уходит в прошлое

Учёные из штата Джорджии и Франции
при поддержке корпорации
Intel разрабатывают принципиально
новые микроэлектронные схемы на
основе графена - тончайшего слоя
графита. Используя графен толщиной
до 10 атомов, исследователи хотят
Достичь проводимости как у материалов,
основанных на углеродных нанотрубках.
Этот новый перспективный материал уже сейчас, на стадии разработки,
показывает достаточно неплохие результаты. Графен демонстрирует
высокую электронную подвижность и электронное сопряжение при
комнатной температуре. Из него создают микросхемы «будующего»

16. IBM собрала схему на единственной нанотрубке

Исследователи из компании IBM разработали интегральную схему
на основе единственной однослойной углеродной нанотрубки.
Созданная цепь представляет собой кольцевой генератор, обычно используемый
производителями микрочипов для тестирования новых технологий и материалов.
Как утверждают учёные, транзисторы на основе нанотрубок более эффективны
по сравнению с кремниевыми и намного компактнее. Технологии на основе
нанотрубок - не единственная альтернатива кремниевым транзисторам. Учёные
так же работают над наномагнитами и более сложными кристаллическими
полупроводниками. Вполне вероятно, что, для большей эффективности,
компьютеры будущего будут оснащаться такими микросхемами.
Размер микросхемы, относительно
человеческого волоса.