Явления, происходящие на границах раздела фаз в гетерогенных системах, называют поверхностными.

Разработчиком искусственной кремниевой сетчатки (ASR -- Artificial Silicon Retina) является фирма Optobionics. Искусственная кремниевая сетчатка - это микросхема диаметром 2 мм и толщиной 0,025 мм, содержащая приблизительно три с половиной тысячи микроскопических фотодиодов, каждый из которых снабжен собственным стимулирующим электродом. Фотодиоды преобразуют свет в электрические импульсы, выводящиеся на стимулирующие электроды и возбуждающие зрительные нервные окончания. Искусственная сетчатка осуществляет имитацию работы глаза на уровне фоторецепторного слоя. Параллельно с вживлением искусственной сетчатки пациенту устанавливается контактная линза, обеспечивающая фокусировку света именно на нее.

Предложенная американскими исследователями в 2006 г., японскими - в 2007 г. искусственная сетчатка представляет собой тончайшую алюминиевую матрицу с полупроводниковыми элементами из кремния. Чип имеет размеры 3,5 х 3,3 миллиметра и содержит 5760 кремниевых фототранзисторов, которые играют роль светочувствительных нейронов в живой сетчатке. Эти транзисторы связаны с другими 3600 транзисторами, которые подражают нервным клеткам сетчатки, осуществляющим предварительную обработку зрительной информации перед отправкой в мозг.

Новый чип хорошо приспосабливается к изменениям в яркости и контрастности наблюдаемой сцены, а также прекрасно воспринимает движущиеся предметы, выделяя их на неподвижном фоне. Однако перед началом клинических испытаний американские новаторы намерены доработать свой проект — уменьшить размеры чипа и снизить его энергопотребление.

По принципу действия искусственная сетчатка напоминает настоящую: при попадании лучей света в полупроводниках образуется электрическое напряжение, которое в качестве зрительного сигнала должно передаваться в мозг и восприниматься в виде изображения.

В 2009 г. американским исследователям удалось связать нервные клетки с биосовместимой пленкой, вырабатывающей под действием света слабый электрический ток. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, представляющая собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света.

Ранее учеными уже были достигнуты определенные успехи в области стимуляции нейронов через кремниевые интерфейсы. Однако той точности в детекции света и его интенсивности, какую предоставляет пленка с наночастицами, до сих пор не удавалось достичь. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров. Кремниевые же аналоги напротив, труднее приспособить для полноценной работы в теле человека. Еще одна революционная особенность искусственной сетчатки – то, что она не зависит от внешних источников питания и «включается» сразу же после попадания на нее света.

Явления, происходящие на границах раздела фаз в гетерогенных системах, называют поверхностными.

Они обусловлены особенностями состава и структуры поверхностей.

Образование поверхности раздела фаз требует совершения работы, следовательно, оно сопровождается увеличением свободной энергии системы. В поверхностном слое накапливается некоторый избыток энергии – поверхностная энергия Гиббса G _S, пропорциональная площади поверхности раздела фаз S: G _S = s×S.

Причиной возникновения поверхностной энергии на межфазных границах являются некомпенсированные атомные или молекулярные силы в поверхностном слое. Ненасыщенное силовое поле, возникающее на границе раздела фаз, связано с различным характером взаимодействия между молекулами в объеме и на поверхности фаз. Силы, действующие между молекулами в объеме одной фазы, называются когезионными. Силы, действующие между молекулами различных фаз, называются адгезионными.

 

 

В объеме жидкой фазы каждая молекула находится в уравновешенном состоянии, так как силы когезионных взаимодействий со стороны таких же окружающих молекул компенсируются и результирующая (равнодействующая) сила будет равна нулю.

На молекулы, находящиеся в поверхностном слое, действуют как когезионные, так и адгезионные силы. Равнодействующая сила когезионных и адгезионных взаимодействий всегда направлена в сторону более плотной фазы и равна разности когезионных и адгезионных сил.

Равнодействующие некомпенсированные силы, действующие в поверхностном слое, являются источником свободной поверхностной энергии (G _S) дисперсной гетерогенной системы.

Свободная поверхностная энергия - это термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия молекул на поверхности раздела фаз с молекулами каждой из контактирующих фаз.

 

G_S = σ × S

 

где G_S – свободная поверхностная энергия, Дж

S – общая поверхность раздела гетерогенной системы, м ²

σ – удельная поверхностная энергия или коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м ² или Н/м

Согласно второму закону термодинамики, свободная энергия системы для самопроизвольно протекающих процессов должна уменьшаться, т.е. DG_S < 0,

что возможно в двух случаях:

1. при уменьшении коэффициента поверхностного натяжения,

Ds < 0, следовательно D G_S = S ×;D s < 0;

2. при уменьшении площади общей поверхности системы,

DS < 0, следовательно D G_S = s×;D S < 0;

В первом случае для снижения величины s необходимо увеличить адгезионное взаимодействие, что возможно при переходе молекул третьего компонента на границу раздела фаз.

Во втором случае сокращение поверхности раздела фаз возможно за счёт объединения частиц дисперсной фазы (S ₁ + S ₂ > S _{общ .}) D S < 0 Þ D G_S < 0