Из каких химических элементов состоит компьютер?

Обновлено: 04.07.2024

Для широкой публики термин "химия", вероятно, может представлять собой человека в белом лабораторном халате, работающего со стеклянными стаканами, наполненными красочными растворами. Эта картина в большей степени верна для описания химика 19 века. Современный химик работает с гораздо более совершенным оборудованием, чем простые стеклянные стаканы, и занимается довольно сложными процессами, а не просто смешиванием растворов! Для изучения реакции современный химик обычно использует различные инструменты, такие как спектроскопы/спектрометры (УФ, ИК, ЯМР, ЭПР, XRD, масс-спектрометр и т. д.), микроскопы (сканирующий электронный микроскоп, трансмиссионный электронный микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп и т. д.). атомно-силовой микроскоп и др.) и многие другие. Очевидно, что не каждый химик использует все эти инструменты и не каждая химическая реакция требует их всех. Конкретный инструмент, который химик использует регулярно, определяется экспериментами, которые он / она проводит, и, таким образом, полностью зависит от конкретной области. Итак, на первый взгляд может показаться, что нет другого нового общего инструмента/материала (вроде лабораторного халата или стеклянной мензурки), который бы объединял всех химиков нового поколения. Однако если мы посмотрим немного глубже, то сразу же обнаружим, что каждый химик нового поколения подключен к одному конкретному прибору – компьютеру.Это, очевидно, верно с технологической точки зрения, потому что все химики нового поколения управляют (или, по крайней мере, взаимодействуют) с большинством своих приборов через компьютер, они строят свои результаты, используя различные компьютерные программы, они пишут свои исследовательские статьи и т. д. Но, как было сказано выше, это всего лишь технологическое присоединение. В этой статье я познакомлю вас с гораздо более сильной и прямой связью между химиками и компьютерами, которая привела к развитию совершенно новой области химии, где химические реакции выполняются внутри компьютера!

За последние два столетия наука в целом и химия в частности пережили экспоненциальный рост. Благодаря этому феноменальному росту само дерево химии разрослось множеством ветвей. Некоторые отрасли, такие как органическая химия и аналитическая химия, довольно хорошо известны широкой публике Индии, в основном из-за заметного роста рынка труда (за последние несколько десятилетий) в этих областях химии. Они также могут быть популярны из-за их применения в нефтяной, фармацевтической и других отраслях промышленности. С другой стороны, есть немало важных разделов химии, которые произвели революцию в этой области и изменили рабочий процесс различных отраслей промышленности (включая фармацевтическую, нефтяную и энергетическую), но совершенно чужды даже студентам, получающим степень бакалавра. или степень магистра в области химии. Цель этой статьи — познакомить вас с одной из этих революционных областей химии, а именно с вычислительной химией.

Отрасль вычислительной химии (КХ) сама по себе обширна и может использоваться для изучения всех форм материи, а именно твердого тела, жидкости, газа и плазмы. Кроме того, его можно применять для изучения материи как в статических, так и в динамических ситуациях. Например, КС можно использовать для изучения свойств алмазов при очень низких температурах (статическая) или для изучения реакции молекулы, сталкивающейся с поверхностью (динамическая). В общем, он используется в качестве дополнительного инструмента для экспериментов, чтобы объяснить наблюдения, например, почему спектр поглощения соединения смещен в красную сторону с определенным заместителем? ИЛИ, почему белок связывается со специфическим антителом? ИЛИ, какой путь проходит электрон, когда он переносится от донорной части к акцепторной? ИЛИ как лазерное воздействие изменило магнитные свойства материала? ИЛИ, как электрон движется в фемтосекундном масштабе времени в Солнечном элементе? Таким образом, CC полезен для понимания микроскопических деталей любой изучаемой системы. До последнего десятилетия CC часто использовался в качестве дополнительного инструмента для экспериментов по исследованию конкретных деталей системы. Однако с резким повышением вычислительной мощности и развитием точных и эффективных вычислительных методов роль CC постепенно меняется от дополнительного инструмента к полностью индивидуальному и более надежному предиктивному инструменту.

В течение последних восьми лет или около того было проведено множество исследований, в которых для предсказания множества новых материалов с интересными электронными, магнитными и оптическими свойствами использовались только вычисления (например, многие новые слоистые материалы были предсказаны с помощью высокопроизводительных вычислений). скрининг), и многие из этих предсказаний впоследствии были подтверждены экспериментаторами. Кроме того, CC позволяет нам без особых усилий изучать материалы в экстремальных условиях, таких как очень высокие/низкие температуры и давления. Даже достижение/поддержание таких суровых условий само по себе является сложной задачей для экспериментаторов, и нет необходимости подчеркивать проблемы, связанные с проведением экспериментов в таких экстремальных условиях. Благодаря этому преимуществу, CC смог предсказать различные интересные метастабильные материалы, такие как TiN2 (новый сверхтвердый материал), Ti3N4 (единственный известный полупроводниковый нитрид титана) и многие другие, которые были недавно синтезированы экспериментаторами (но были предсказаны еще в 2003). Несмотря на огромный и постоянно растущий успех CC в предсказании новых интересных материалов, есть определенные серые области, где предсказания CC могут ошибаться (например, с сильно коррелированными системами, такими как оксиды определенных элементов d- и f-блока). Однако также хорошо известно, что эти недостатки в основном связаны с неадекватностью используемой теории. Прежде чем углубляться, давайте сначала попробуем понять, как работает CC.

Вычислительная химия основана на теоретических принципах многих других важных областей, таких как квантовая механика, молекулярная механика, статистическая механика, специальная теория относительности и химия/физика твердого тела. Здесь под теоретическими принципами понимается совокупность постулатов и уравнений, на которых строится теория. Например, в случае специальной теории относительности одним из постулатов является неизменность скорости света c, а одним из уравнений, описывающих теорию, является E = mc2.

Как только мы узнаем уравнения, управляющие теорией, мы можем использовать компьютер для их численного решения. Таким образом, в основном вычислительная химия (или, если на то пошло, даже вычислительная физика или вычислительная биология и т. д.) — это решение уравнений, управляющих химией системы, с использованием компьютера. В зависимости от уравнений, которые мы решаем, мы сможем узнать конкретные свойства системы. Например, если мы решим уравнение Шредингера, мы сможем понять квантово-химические свойства системы; решение ньютоновских уравнений движения поможет нам описать классическое движение ядер в системе; релятивистские аспекты системы известны путем решения уравнения Дирака и так далее. Таким образом, зная решения этих уравнений (а именно, волновую функцию в квантовой механике, статистическую сумму в статистической механике и т. д.), мы обязаны знать все физические свойства системы. Итак, когда мы говорим, что химик-вычислитель выполняет реакции на компьютере, мы на самом деле имеем в виду, что он/она моделирует химическую среду (например, они создают структуру соединения) и находят решения некоторых из приведенных выше уравнений ( Какие уравнения они решают, зависит от того, какие свойства системы их интересуют).

Понять ценность/полезность химического моделирования легко, если провести простую аналогию. Давайте рассмотрим вопрос, каков ваш вес на Плутоне? А теперь скажите, как бы вы хотели ответить на этот вопрос. Хотели бы вы отправиться на Плутон, чтобы взвеситься, или воспользовались бы формулой для вычисления своего веса, сидя на Земле (вес на планете = масса тела * гравитация на поверхности планеты)? Очевидно, что оба способа дадут вам правильный ответ. Но последний способ является быстрым и эффективным способом ответить на вопрос (я могу легко задать один и тот же вопрос тысячам людей и довольно быстро получить ответ. В первом случае мне нужно отправить каждому из них на Плутон, чтобы узнать их вес.). По сути, химик-вычислитель следует вторым путем, и во многих случаях (не всегда!), вычислительная химия оказывается дешевым, быстрым и экологически безопасным способом ответить на поставленный вопрос.

Давайте рассмотрим еще один пример в контексте химии, чтобы лучше понять его. Давайте возьмем простое исследование, в котором вы хотели бы понять, как изменяется кислотность органического соединения при добавлении заместителя. Если вам нужно понять это, проводя эксперименты, вам может понадобиться рассмотреть исходное соединение (скажем, фенол) в некотором общем количестве, и вам нужно изменить заместитель в исходном соединении, используя некоторые реакции замещения. Для каждого типа заместителей (скажем, -CH3, -NH2, -NO2 и т. д.) вам обычно необходимо пройти различные процедуры реакции, чтобы получить требуемые продукты. К этому времени вы, возможно, использовали много химикатов, таких как растворители, для очистки/фильтрации каждого из замещенных соединений. После получения каждого из продуктов-заменителей вам может потребоваться провести различные другие эксперименты (такие как лакмусовая бумажка или кислотно-щелочное титрование и т. д.), чтобы понять их свойства.

Некоторые из этих методов являются деструктивными (в том смысле, что характеристики вашего образца будут изменены после проведения эксперимента, и, следовательно, ваш образец нельзя будет использовать повторно). В связи с этим вам может потребоваться подготовить достаточное количество замещенных соединений (а также исходного соединения), чтобы проверить точность ваших результатов. Весь описанный выше процесс ясно подчеркивает тот факт, что для того, чтобы узнать порядок электроноакцепторной природы этих заместителей, вам нужно провести множество экспериментов, и в процессе вы будете потреблять много реальных химических веществ (при подготовке соединений, а также при тестировании!). Некоторые химические вещества могут даже быть опасными для человека и окружающей среды.

С другой стороны, если мы решим найти ответ с помощью компьютера, мы сначала нарисуем каждую из этих структур с помощью некоторого программного пакета (во многом аналогично тому, как мы рисуем различные структуры на бумаге), а затем решим задачу Шредингера. уравнение, чтобы найти волновую функцию для каждой из этих структур. Зная волновую функцию, мы можем рассчитать энергию связи протона (или любые другие интересующие нас свойства) для каждой из этих систем, а затем предсказать их кислотность. Еще раз ясно, что это быстрый, дешевый и экологически чистый способ узнать ответ на наш вопрос. Удобство проведения эксперимента внутри компьютера можно дополнительно оценить, представив, через что пришлось пройти экспериментатору, если мы хотим узнать такое же электроноакцепторное поведение этих соединений при экстремальных температурах или давлениях. Для вычислительного химика это просто изменение чисел в его программе!

Из приведенного выше обсуждения читателю должна быть очевидна важность выполнения расчетов для прогнозирования химической природы системы.Действительно, из-за рентабельности использования CC различные отрасли промышленности используют CC для разных целей. Например, фармацевтическая промышленность использует CC для скрининга многих соединений, чтобы найти наилучшие возможные молекулы лекарственного средства для связывания определенного белкового кармана, или они проводят скрининг нескольких полиморфов конкретной молекулы лекарственного средства, чтобы найти наиболее стабильные полиморфы при комнатной температуре. Эти процедуры скрининга помогают отраслям снизить себестоимость производства лекарства во много раз (что действительно поможет снизить цену, по которой они могут продать лекарство (если захотят)), так как окончательные испытания с реальными экспериментами теперь нужно только провести. выполняться с очень небольшим набором соединений (вместо тестирования целой библиотеки соединений). С недавними радикальными улучшениями в области искусственного интеллекта (такими как разработка надежных алгоритмов машинного обучения и глубокого обучения) наблюдается огромный всплеск использования CC в фармацевтической промышленности. Комбинируя искусственный интеллект с CC, миллионы молекул лекарств проходят скрининг, чтобы найти потенциальных кандидатов для медицинского применения. С этими тенденциями мы можем предвидеть первостепенную роль CC в открытии лекарств в самом ближайшем будущем. (Загляните, например, на такие веб-сайты, как Computational Resources for Drug Discovery и Chem Bridge, и попробуйте прочитать больше по теме «Химинформатика», чтобы узнать больше об открытии лекарств с помощью компьютеров).

Аналогичные процедуры проверки также проводятся в нефтяной промышленности. Здесь они исследуют различные поверхности (помните, что каталитическая активность поверхности (100) будет отличаться от (111) поверхности металла) нескольких металлических катализаторов, чтобы найти наилучшую поверхность катализатора для выполнения конкретной химической реакции. Также проводятся скрининги, чтобы понять эффективность реакции при различном покрытии адсорбата и с учетом поверхностей раздела различных катализаторов. Подобные приложения также существуют в энергетике, где несколько материалов проверяются, чтобы найти лучшие проводники, изоляторы, фотогальванические материалы, суперконденсаторы, электролиты, материалы для аккумуляторов и т. д. Заинтересованному читателю рекомендуется проконсультироваться:

Проект «Материалы»
Лаборатория NOMAD
ПОТОК
Automated Interactive Infrastructure and Database for Computational Science и несколько других веб-сайтов, на которых уже проверены тысячи соединений для вышеупомянутых приложений.

Прежде чем закончить эту статью, нам очень важно понять проблемы, связанные с CC. Поскольку вычислительная химия решает задачу с помощью компьютера, точность результатов будет сильно зависеть от метода, который мы выберем для решения задачи. Например, если вы используете классическую механику для понимания электронных свойств системы, то очевидно, что результаты будут совершенно неправильными, поскольку электронные свойства системы регулируются принципами квантовой механики. Хотя это может выглядеть как проблема, связанная со знаниями химика-вычислителя, который работает над проблемой, как объясняется ниже, это не всегда так.

Например, рассмотрим случай, когда нужно решить уравнение Шредингера для системы, состоящей из тысячи атомов углерода, чтобы узнать энергию ее основного состояния. Здесь можно решить уравнение Шредингера, используя любой из квантово-химических методов, таких как метод Хартри-Фока (HF), теория функционала плотности (DFT) и теория связанных кластеров. Точность предсказания энергии каждым из этих методов различна, при этом HF является наименее точным методом, а связанный кластер — наиболее точным методом. Несмотря на то, что у него есть конкретные знания об этих методах, любой разумный химик-вычислитель даже не подумал бы решить уравнение Шредингера для вышеупомянутой системы из 1000 атомов, используя теорию связанных кластеров, и вместо этого он / она обычно полагался бы на другие вычислительные методы, такие как DFT. Это связано с огромными вычислительными затратами, связанными с использованием теории связанных кластеров. Но, как вы могли уже догадаться, по мере того, как вы отходите от теории связанных кластеров, точность предсказанной энергии будет низкой. Несмотря на эти проблемы с точностью, такие методы, как DFT, регулярно используются для прогнозирования трендов, поскольку во многих случаях они оказались весьма полезными (а также потому, что другого выбора нет!).

Другим важным аспектом, определяющим точность результатов, является числовая точность моделирования. Несмотря на то, что метод является точным, если числовая точность нашей симуляции низкая, мы неизбежно получим неверные прогнозы. Важность числовой точности можно понять, вспомнив нашу школьную математику по интегрированию. Возможно, вы помните тот факт, что выполнение интегрирования кривой эквивалентно предсказанию площади под кривой.Для известных кривых, таких как синусоида, мы можем выполнить интегрирование, применив формулу и подставив пределы, чтобы предсказать площадь под кривой. Однако для сложных кривых у нас нет какой-либо формулы, и нам нужно полагаться на численные методы, такие как Симпсон или правила трапеций, для выполнения интегрирования (очевидно, их можно использовать для интегрирования любой нормальной кривой, такой как синусоида). /p>

При использовании этих правил мы делим всю кривую на очень маленькие интервалы и вычисляем площадь под каждым из таких интервалов (например, путем аппроксимации площади, образованной кривой и осью X, прямоугольником), а затем, наконец, суммируем все эти маленькие области, чтобы получить площадь под сложной кривой. Конечно, такое приближение очень хорошо только тогда, когда мы делим кривую на множество мелких частей. Если каждый такой кусочек очень мал, то точность результата будет ближе к тому, что мы ожидаем (поскольку площадь под каждым таким маленьким кусочком может быть фактически аппроксимирована как площадь прямоугольника для всех практических целей). С другой стороны, если мы рассмотрим больший размер интервала, то, очевидно, мы получим плохие результаты (потому что теперь область под этим большим куском уже не выглядит ближе к прямоугольнику). При работе с компьютерами размер интервала может быть связан с использованием одинарной точности (читается как большой размер интервала) по сравнению с двойной точностью (малый размер интервала) для представления переменных. Несомненно, есть еще несколько проблем, таких как масштабируемость метода (может ли он использоваться для одновременной работы на многих процессорах), потребление памяти и т. д., но они выходят за рамки этой статьи. Таким образом, как точность теории, так и точность численного моделирования очень важны для оценки точности результата, предсказанного с помощью вычислительной химии.

Я полагаю, что благодаря этому краткому введению в область вычислительной химии вы получили общее представление о том, как она работает и чем полезна для различных отраслей. Я также предполагаю, что вы познакомились с некоторыми плюсами и минусами применения вычислительной химии для поиска решений различных химических задач. Наконец, я надеюсь, что в следующий раз, когда вы подумаете об химике, вы также добавите в свое воображение компьютер!

Любопытный факт: в 1998 и 2013 годах Нобелевские премии присуждались химикам, работающим в области вычислительной химии. Попытайтесь выяснить, кто их получил, и их вклад в эту область!

«Эта статья написана Шармой С. Р. К. К. Ямиджала, факультет химического машиностроения Калифорнийского университета, Риверсайд, Калифорния».

Старые компьютеры, другие компьютерные отходы и электроника содержат опасные вещества.

Какие компоненты компьютера содержат токсичные вещества?

Компьютерные компоненты содержат токсичные вещества, поэтому со старыми компьютерами и компьютерными отходами следует обращаться бережно. Утилизация старых компьютеров должна проводиться с большой осторожностью и в Нидерландах. Компания IT-Recycling стремится к этому.

Короче говоря, деловой партнер без проблем. На практике это означает, что компьютерные отходы будут перерабатываться ответственным и экологически безопасным способом в соответствии с требованиями законодательства.

Всегда будьте осторожны с компьютерными отходами и утилизируйте их ответственно.

Ниже выделены некоторые из наиболее известных токсичных веществ, обнаруженных в компьютерных компонентах. Этот список не является исчерпывающим.

Хотите узнать больше о токсичных веществах в компьютерных компонентах и компьютерных отходах? Пожалуйста, посетите веб-сайт BAN — организации, которая подчеркивает опасность экспорта старых компьютеров и компьютерных отходов.

Фталаты

Это пластификаторы для ПВХ, которые используются в компьютерах в различных местах. Со временем эти вещества из ПВХ попадают в окружающую среду. Чем чаще дети подвергаются воздействию определенных фталатов, тем выше вероятность заболеть астмой, сенной лихорадкой и экземой;

Фталаты, возможно, являются канцерогенами (обнаружено при тестировании на животных).

Броминат
огнезащитные составы

Какие компоненты компьютера содержат токсичные вещества? Часто они очень устойчивы в окружающей среде и/или накапливаются в организме животных и людей. Через свалки в процессе производства они попадают в воду и в ил. Рыбы подвергаются воздействию токсических веществ и накапливаются в их жировых тканях. Через рыбу мы потребляем их. Но также и напрямую, потому что небольшие количества просачиваются из продуктов,
в которые они были включены.

Нарушение развития мозга

По мнению исследователей, бромированные антипирены могут имитировать работу щитовидной железы. Это гормон, который определяет развитие мозга у плода. Бромированные антипирены могут нарушать моторное развитие или вызывать проблемы с памятью и обучением. Они также могут усиливать действие канцерогенных химических веществ.

Синтетические мускусы

Это химические ароматические вещества, которые, как считается, имитируют или разрушают половые гормоны. Мы проглатываем их через нашу кожу, которая легко впитывает их, например, с помощью духов или лосьона после бритья.

Долгосрочное влияние соединений мускуса на людей до сих пор практически неизвестно.

Поскольку это касается точно такой же гормональной системы синтетических мускусов, что и фталатов, следует ожидать следующих эффектов: деформации репродуктивных органов, снижение качества спермы и тому подобное.

Рак

Согласно исследованиям, проведенным в 1999 году, размножение лягушек было нарушено продуктами разложения мускусного ксилола и мускусного кетона. Долгосрочные исследования показали, что в высоких концентрациях ксилоловый мускус вызывает рак у мышей. Мускусные соединения хорошо растворяются в жире. Попадая в окружающую среду, они накапливаются в жировой ткани рыб и других водных организмов. Оказывается, мускус подавляет систему детоксикации мидий (так сказать, иммунную систему). В результате эти организмы более восприимчивы к повреждению токсинами. Возможно, что иммунная система человека и других организмов также может быть повреждена.

Алкилфенолы

Смена пола у рыб

Алкилфенолы накапливаются в окружающей среде. Они особенно печально известны своим разрушающим эндокринную систему эффектом. Это было особенно продемонстрировано у рыб и может привести к изменению пола, например к феминизации. Исследователи, проводившие тесты на самцах рыб, обнаружили клетки, производящие икру. Алкилфенолы могут проникать через плаценту; они были обнаружены в пуповине младенцев, а алкилфенолы появляются в грудном молоке.

Повреждающее действие алкилфенолов давно известно. Именно поэтому страны ОСПАР – пятнадцать стран Европы и ЕС – приняли решение еще в 1992 г. запретить их использование в моющих средствах для бытового использования с 1995 г., а в промышленных чистящих средствах – с 2000 г. Однако до сих пор неясно, в какой степени это решение фактически введено в действие.

Оловоорганические соединения

Это группа органических соединений, содержащих олово. ТБТ и ТРТ, например, представляют собой оловоорганические соединения. Даже в низких концентрациях ТБТ уже оказывает неблагоприятное воздействие на людей и животных. Согласно исследованиям, эндокринная система моллюсков, таких как трубач, сильно нарушена. Оловоорганические соединения у крыс повышали риск выкидыша. В Англии исследователи обнаружили, что у самок пурпурных улиток появился пенис.

Металлы в компьютерах

Кроме того, компьютеры содержат, среди прочего, следующие металлы:

Медь (Cu)

Длительное воздействие меди может вызвать раздражение носа, рта и глаз и спровоцировать головные боли, боли в животе, головокружение, рвоту и диарею. Преднамеренно высокое потребление меди может вызвать повреждение печени и почек и даже привести к смерти. Пока неясно, является ли медь канцерогенной.

Алюминий (Al)

Ионы алюминия могут попадать в организм различными путями, например, через дыхание, пищу или питье. При длительном воздействии высоких концентраций ионов алюминия
могут развиться расстройства нервной системы, такие как различные формы слабоумия, временная и постоянная потеря памяти, дрожь или вялость.

Фосфор (Si и P)

Повышенные концентрации фосфора в поверхностных водах стимулируют рост фосфатзависимых организмов, таких как водоросли и ряска. Эти организмы используют большое количество кислорода и препятствуют попаданию солнечного света в воду внизу. Это означает, что другие организмы не могут выжить в воде. Этот процесс известен как эвтрофикация.

Лид (Pb)

Свинец и соединения свинца известны своей токсичностью и опасностью для окружающей среды. Соли свинца(II) и органические соединения свинца имеют особое значение с точки зрения экотоксикологии. Соли свинца относятся к классу опасности для воды 2 (WKG = Wassergefährdungsklasse) и поэтому опасны. То же самое относится к соединениям свинца, таким как ацетат свинца, оксид свинца, нитрат свинца и карбонат свинца.

Хотя свинец ограничивает синтез хлорофилла в растениях, они могут переносить относительно высокое содержание свинца в почве до 500 частей на миллион. При более высоких концентрациях нарушается рост растений. Таким образом, свинец может попасть в пищевую цепочку, поэтому он запрещен в пестицидах и других продуктах.

Олово (Sn)

Поглощение соединений олова может вызывать как острые, так и долгосрочные последствия.

Железо и сталь (Fe)

Железо может вызывать различные заболевания, когда оно попадает в ткани и остается там.

Серебряный (Ag)

Чрезмерное хроническое воздействие на органы соединений серебра вызывало у лабораторных животных следующие эффекты:

Поражение почек, глаз, легких, печени и головного мозга.
Отек

Чрезмерное хроническое воздействие серебра или соединений серебра может вызвать у человека следующие эффекты:

Нарушения сердечного ритма
Необратимое повреждение головного мозга и повреждение нервной системы.
Потенцирование эффектов нейротоксинов, которые уже присутствуют в организме, что приводит к тяжелому повреждению нервов.

Золото (золото)

Эффекты воздействия: Вдыхание:

Может вызвать раздражение при длительном воздействии или воздействии больших количеств. Проглатывание: Нет эффектов. Кожа: Может вызывать раздражение и аллергическую реакцию. Глаза: может раздражать.

Тантал (Та)

Вызывает раздражение глаз и кожи. Этот материал раздражает слизистые оболочки и верхние дыхательные пути.

Когда крысам вводят высокие дозы, в их легких образуются раны.

Меркурий

Ртутьорганические соединения, такие как метилртуть, гораздо более вредны, чем металлическая ртуть. Длительное воздействие низких концентраций ртутьорганических соединений (0,05 мг/сутки и более) может вызвать у взрослых следующие эффекты:

Затуманенное зрение
Усталость
Глухота
Паралич
Кома
Смерть

В 1950-х годах жители Японии пострадали от отравления ртутью в результате употребления в пищу рыбы. Это было известно как болезнь Минамата. В 1972 и 1973 годах заболевание встречалось в Ираке, где людей госпитализировали после употребления кукурузы, загрязненной ртутьорганическими соединениями.

Если беременная женщина подвергается воздействию ртутьорганических соединений в дозах выше 0,05 мг в день, плод подвергается риску. В результате ребенок может быть умственно отсталым и иметь трудности в обучении. Ртутьорганические соединения могут изменить генетический материал. Известен ряд аллергических реакций на ртуть, таких как усталость, раздражение глаз и дыхательных путей и головные боли.

Компьютерные компоненты содержат токсичные вещества, перерабатывая эти материалы, вы сознательно защищаете окружающую среду и гарантируете, что Нидерланды будут чистыми в будущем.

Ученые описывают новый рецепт создания ультратонких чипов, которые могут управлять прозрачными устройствами

< /p>

Этот портрет кандидата в президенты 2016 года Хиллари Клинтон сделан из сверхтонкого материала толщиной всего в три атома.

20 января 2017 г., 7:10

Во время президентских выборов 2008 года умные инженеры из Мичиганского университета создали портреты тогдашнего кандидата Барака Обамы. Эти «нанобамы» не были обычными картинками. Они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть человеческим глазом. Исследователи создали их из скрученных листов атомов углерода, называемых нанотрубками. Такие нанотрубки послужили строительными блоками для некоторых новых типов электроники.

Перенесемся в президентские выборы 2016 года. Инженеры из Стэнфордского университета в Калифорнии взяли пример с дизайна этих нанобам. Ради забавы они создали сверхмаленькие портреты Хиллари Клинтон и Дональда Трампа. (Команда также создала крошечную версию логотипа Стэнфордского университета.) Но эти инженеры не использовали нанотрубки. Вместо этого они выгравировали эти портреты на материале, называемом дисульфидом молибдена (Mo-LIB-deh-num), или MoS₂. Его толщина всего три атома.

Педагоги и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Это один из многих сверхтонких материалов, которые ученые изучают для использования в будущих электронных устройствах. По мере того, как устройства становятся меньше, компьютерные чипы, на которых они работают, тоже должны уменьшаться. Эти чипы обрабатывают и хранят информацию. Чипы в наших сотовых телефонах и компьютерах сделаны из материала под названием кремний. Этот элемент встречается в природе, что означает, что он находится на Земле (например, в песке). Кремний также работает как полупроводник. Это означает, что он может либо пропускать через себя электричество, либо блокировать ток. Кремниевые компьютерные чипы имеют каналы или схемы, выгравированные в них, чтобы позволить электричеству течь. Такой дизайн позволяет этим чипам обрабатывать и хранить данные.

Но у Silicon есть свои недостатки. Это солидно, отмечает Дебдип Йена. Он изучает полупроводники в Корнельском университете в Итаке, штат Нью-Йорк.В относительно больших кусках кремний хорошо проводит электричество. Но на мелкие кусочки - нет. «При поперечнике менее 50 или 60 атомов кремний теряет внутренние свойства, которые делают его полезным», — отмечает Йена. Эти свойства включают его способность проводить электричество.

Чтобы поддерживать ток в небольших устройствах, ученые должны искать не только кремний. Они хотят найти материалы, которые работают, когда их толщина составляет всего несколько атомов. Самый известный из этих материалов — графен — лист углерода толщиной всего в один атом. Другой — MoS₂. Он используется в качестве смазки. Это означает, что он уменьшает трение, когда две поверхности трутся друг о друга. MoS₂ встречается в природе, обычно в виде мягкого черного порошка. Он также был обнаружен в узких прожилках кварца, которые проходят через гранит, тип горной породы. Но чтобы использовать MoS₂ для изготовления компьютерных микросхем, ученые должны создать этот материал в лаборатории.

MoS₂ — это «отличный полупроводник», — говорит инженер-электрик Эрик Поп. Он возглавил команду Стэнфорда, которая недавно описала свой рецепт крошечных портретов кандидатов в президенты США. «В некоторых отношениях, — утверждает он, — это лучший полупроводник, чем кремний».

Почему? Чипы, изготовленные из сверхтонкого MoS₂, можно сделать намного меньше, чем те, которые используют кремний. Это означает, что в одном устройстве можно разместить большее количество микросхем меньшего размера. Кроме того, поскольку он такой тонкий, чипы MoS₂ толщиной в три атома будут прозрачными и гибкими. Это может сделать их полезными для графических дисплеев, которые появляются на лобовом стекле. Или превратить окно в телевизор.

Материал еще не готов к показу в прайм-тайм

Группа Попа годами совершенствовала рецепт приготовления MoS₂ в лаборатории. Это как готовить, объясняет он. «Это немного интуиции и много практики». Под этим он подразумевает: «Мы играем с ингредиентами, немного меняем температуру». В конце он говорит: "Много проб и ошибок".

Сейчас ученым нелегко создавать полезные листы MoS₂, которые настолько тонкие. Группа Попа даже не первая команда, которая сделала этот материал. Это как очень маленький бутерброд. Атомы молибдена, металла, должны располагаться между атомами серы.

Но новый рецепт группы указывает на способ сделать достаточно тонкий MoS₂ для создания компьютерных чипов.

Атомы серы должны соединиться с атомами молибдена. Чтобы это произошло, Поп и его команда нагревают сырье в печи, пока оно не испарится или не превратится в газ. Это происходит при температуре 850° по Цельсию (1562° по Фаренгейту). Затем, регулируя температуру и давление в печи, ученые могут заставить атомы газа осесть на другой материал, называемый субстратом. Этот шаг называется депонированием.

Ключ к чистому осаждению — заставить атомы выстроиться таким образом, чтобы образовались листы. Однако это сложно. MoS₂ естественным образом образует крошечные треугольники. Большие треугольники сложно вырастить, а маленькие сложно сшить вместе.

Команда Попа создала листы MoS₂ размером с миниатюру. Это может показаться небольшим, но это демонстрирует, что новый метод команды работает. Он также делает листы достаточно большими, чтобы вытравливать цепи или каналы, через которые проходит электрический ток. Портреты Клинтона и Трампа представляли собой выгравированные контуры электрических цепей. Исследователи сообщили, что их испытательные схемы установили новый рекорд плотности тока в чипах MoS₂_. (Плотность тока — это мера того, сколько электричества проходит через участок материала. .)

Йена говорит, что новые эксперименты показывают, что листы MoS₂ можно сделать сверхмалыми и функционировать так же, как кремний. Он добавляет, что «группа Попа показала, насколько характеристики синтетических материалов приближаются к свойствам кремния, что очень приятно и обнадеживает». Джена уже работала с Попом в прошлом, но не над этим проектом.

Люди, скорее всего, не увидят чипы MoS₂ в своих устройствах в течение многих лет, если не десятилетий, подозревает Йена. "Мы находимся на очень ранней стадии исследований в этой области".

Группа Попа планирует продолжать совершенствовать свой рецепт изготовления больших листов MoS₂. Эти большие листы позволят ученым производить больше чипов. «Рост ограничен только размером нашей печи», — говорит Поп. Более крупная печь позволила бы ученым изготавливать листы больше размера ногтя. Изготовление больших листов, которые можно превратить в схемы, позволит наладить массовое производство материала. Он сравнивает процесс с выпечкой пиццы. «Какую большую пиццу вы можете приготовить? Самое большое, что я могу сделать, это размер моей домашней духовки».

Сильные слова

атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Вокруг ядра вращается облако отрицательно заряженных электронов.

кристалл (прил. кристаллический) Твердое тело, состоящее из симметричного, упорядоченного, трехмерного расположения атомов или молекул. Это организованная структура большинства минералов. Апатит, например, образует шестигранные кристаллы. Минеральные кристаллы, из которых состоит горная порода, обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

углеродная нанотрубка Наноразмерный трубчатый материал, изготовленный из углерода, который хорошо проводит тепло и электричество.

компьютерный чип (также интегральная схема) Компьютерный компонент, который обрабатывает и хранит информацию.

осаждение (в химии) Когда атомы оседают или осаждаются на отдельном материале (который обычно называют подложкой).

проводимость Один из трех основных способов передачи энергии. (Двумя другими являются конвекция и излучение.) При проводимости энергия передается, когда атомы и молекулы сталкиваются друг с другом, при этом более медленные и холодные частицы получают энергию от более теплых и быстрых частиц, которые сталкиваются с ними.

проводящий Способен проводить электрический ток.

проводник (в физике и технике) Материал, по которому может протекать электрический ток.

плотность тока Количество тока, протекающего через объем материала.

дисульфид Пара атомов серы, связанных вместе.

электрическая цепь Путь, по которому текут электроны. Точка, в которой эти электроны входят в электрическую цепь, называется «источником».

электропроводность Способность некоторого вещества (например, воды или металлов) переносить электрический заряд или ток.

электрический ток Поток заряда, называемый электричеством, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

электроника Устройства, которые питаются от электричества, но свойства которых контролируются полупроводниками или другими схемами, которые направляют или блокируют движение электрических зарядов.

элемент (в химии) Каждое из более чем ста веществ, для которых наименьшая единица каждого из них — один атом. Примеры включают водород, кислород, углерод, литий и уран.

инженер Человек, который использует науку для решения проблем. Глагол спроектировать означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.

гранит Тип твердой магматической породы, которая содержит крупнозернистые включения (по существу, мини-камни в породе) различных минералов, главным образом кварца, полевого шпата и слюды.

смазка Вещество, используемое для уменьшения трения между соприкасающимися друг с другом поверхностями.

минерал Кристаллообразующие вещества, такие как кварц, апатит или различные карбонаты, из которых состоит горная порода. Большинство горных пород содержат смешанные вместе несколько различных минералов. Минерал обычно является твердым и стабильным при комнатной температуре и имеет определенную формулу или состав (атомы находятся в определенных пропорциях) и определенную кристаллическую структуру (это означает, что его атомы организованы в определенные регулярные трехмерные структуры).

молибден Химический элемент с символом Mo и атомным номером 42. Этот элемент не встречается в природе на Земле сам по себе. Обычно он входит в состав какого-либо минерала или другого соединения, например дисульфида молибдена.

nano Префикс, обозначающий миллиардную часть. В метрической системе измерений это часто используется как аббревиатура для обозначения объектов, длина или диаметр которых составляет одну миллиардную долю метра.

полупроводник Материал, который иногда проводит электричество. Полупроводники являются важными компонентами компьютерных микросхем и некоторых новых электронных технологий, таких как светодиоды.

кремний Неметаллический полупроводниковый элемент, используемый для изготовления электронных схем. Чистый кремний существует в виде блестящих темно-серых кристаллов и в виде бесформенного порошка.

субстрат Основание, на котором живет организм (в биологии) или оседают атомы (в химии).

сера Химический элемент с атомным номером шестнадцать. Сера, один из самых распространенных элементов во Вселенной, является важным элементом для жизни. Поскольку сера и ее соединения могут накапливать много энергии, она присутствует в удобрениях и многих промышленных химикатах.

испаряться Превращаться из жидкости в газ (или пар) под действием тепла.

Цитаты

О Стивене Орнсе

Стивен Орнс живет в Нэшвилле, штат Теннесси, и в его семье есть два кролика, шесть кур и кошка. С 2008 года он пишет для журнала Science News for Student на такие темы, как молнии, дикие свиньи, большие пузыри и космический мусор.

Классные ресурсы для этой статьи

Для этой статьи доступны бесплатные ресурсы для преподавателей. Зарегистрируйтесь, чтобы получить доступ:

Читайте также: