Край Будущего

Скользящие сегнетоэлектрики представляют собой тип двумерного (2D) материала, который образуется при укладке неполярных монослоев — слоев толщиной в один атом, не имеющих электрического диполя. Когда такие слои накладываются друг на друга, они формируют сегнетоэлектрические материалы с самопроизвольной поляризацией, которая может переключаться под воздействием внешнего электрического поля, перпендикулярного слоям.

Исследование механизмов переключения поляризации в скользящих сегнетоэлектриках стало важной целью для учёных в области физики и материаловедения, поскольку это может открыть новые горизонты в разработке наноразмерной электроники и квантовых технологий.

Недавняя работа исследователей из Вестлейкского университета и Университета электронных наук и технологий Китая, опубликованная в журнале Physical Review Letters, выявила новый механизм, управляющий переключением поляризации в скользящих сегнетоэлектриках. В отличие от предположений, что переключение происходит за счёт синхронных сдвигов всех слоев, исследование показало, что это связано с волнообразными перемещениями доменных границ — границами между областями с противоположной поляризацией.

"Скользящие сегнетоэлектрики привлекли внимание благодаря своему потенциалу расширить семью ван-дер-ваальсовых сегнетоэлектрических материалов", — отметил старший автор статьи Ши Лю. Основная идея заключается в создании внеплоскостной поляризации в двумерных структурах путём наложения неполярных монослоев с тщательно настроенными смещениями.

Целью исследования было выяснить, как внеплоскостное электрическое поле может изменять поляризацию в скользящих сегнетоэлектриках. Лю и его команда использовали моделирование молекулярной динамики (MD) и разработали модель глубокого потенциала (DP), обученную на данных квантово-механических расчетов.

"Модель DP позволяет фиксировать сложные атомные взаимодействия, необходимые для реалистичного моделирования", — сказал Лю. Исследователи успешно смоделировали переключение поляризации, выявив, что внеплоскостное электрическое поле само по себе не может изменить поляризацию отдельного домена. Переключение происходит за счёт нарушения симметрии доменных границ, что обусловлено тензорной природой эффективных зарядов.

Кроме того, они обнаружили новый тип динамики доменных границ с аномальной температурной зависимостью: скорость их движения увеличивается при понижении температуры, что противоположно тому, что наблюдается в обычных сегнетоэлектриках. Это явление получило название "движение сверхтекучей доменной стенки", проводя аналогию с состоянием сверхтекучести в механических системах без трения.

Эти результаты могут послужить основой для дальнейших исследований скользящих сегнетоэлектриков и их применения в различных технологиях, включая наноразмерные устройства в криогенных средах. В будущих работах команда планирует изучить кинематику доменных границ при низких температурах, чтобы понять влияние квантовых эффектов на структурную динамику в этих материалах.

Микропластик — крошечные частицы пластика — обнаружен в тканях человеческого мозга, однако пока недостаточно данных, чтобы определить, насколько это опасно для здоровья, заявляют эксперты. Микропластик, часто невидимый невооружённым глазом, встречается повсюду: от горных вершин до океанских глубин, в воздухе, которым мы дышим, и в пище. Эти частицы находят внутри человеческого организма — в лёгких, сердце, плаценте и даже в мозге, преодолевая гематоэнцефалический барьер.

Рост распространения микропластика стал ключевой темой на переговорах по созданию первого в мире международного договора о загрязнении пластиком. Следующий раунд переговоров ООН состоится на следующей неделе в Женеве. Влияние микропластика и ещё более мелких нанопластиков на здоровье человека полностью не изучено, но учёные активно исследуют эту область.

Одно из значимых исследований было опубликовано в феврале в журнале Nature Medicine. Учёные проанализировали образцы мозговой ткани 28 человек, умерших в 2016 году, и 24 человек, скончавшихся в прошлом году в штате Нью-Мексико (США). Результаты показали, что количество микропластика в образцах со временем увеличивалось. Исследование привлекло внимание СМИ после заявления ведущего автора, токсиколога Мэтью Кэмпена, что в мозге обнаружено количество микропластика, эквивалентное целой пластиковой ложке. По его оценке, из донорского мозга можно выделить около 10 граммов пластика.

Однако другие учёные призывают интерпретировать эти данные с осторожностью. Токсиколог Теодор Генри из Университета Хериот-Ватт (Шотландия) отметил, что, хотя открытие интересно, его следует рассматривать с учётом необходимости независимой проверки. Он добавил, что предположения о влиянии микропластика на здоровье пока не подтверждены достаточными доказательствами.

Профессор химии из Университета RMIT (Австралия) Оливер Джонс подчеркнул, что данных недостаточно для однозначных выводов о распространённости микропластика даже в Нью-Мексико, не говоря уже о мире в целом. Он также выразил сомнение в том, что в мозге может содержаться больше микропластика, чем в сточных водах, как предполагали авторы исследования. Джонс отметил, что участники исследования были здоровы до смерти, а учёные не располагают данными, подтверждающими вред микропластика. «Если (а это большое "если") микропластик действительно есть в нашем мозге, пока нет доказательств, что он причиняет вред», — добавил он.

Эксперты отмечают, что, несмотря на технические недочёты исследования (например, дублирование изображений), его основные выводы остаются в силе. Большинство исследований о влиянии микропластика на здоровье имеют наблюдательный характер и не позволяют установить причинно-следственную связь. Например, работа, опубликованная в New England Journal of Medicine в прошлом году, показала, что накопление микропластика в кровеносных сосудах связано с повышенным риском инфаркта, инсульта и смерти у пациентов с атеросклерозом.

Эксперименты на мышах, проведённые китайскими учёными, выявили, что микропластик может вызывать редкие тромбы в мозге грызунов, блокируя клетки. Однако авторы подчёркивают, что результаты на животных не всегда применимы к людям.

В 2022 году Всемирная организация здравоохранения пришла к выводу, что доказательств, достаточных для определения рисков микропластика для человека, пока нет. Тем не менее многие эксперты призывают руководствоваться принципом предосторожности и принимать меры уже сейчас. В отчёте Барселонского института глобального здоровья, опубликованном перед переговорами ООН, говорится, что «политические решения не могут ждать полных данных». «Ограничивая воздействие микропластика, совершенствуя методы оценки рисков и уделяя особое внимание уязвимым группам населения, мы можем предотвратить потенциальный кризис в сфере общественного здоровья», — отмечают авторы.

С 2000 года объём производства пластика в мире удвоился, а к 2060 году, по прогнозам, утроится. Это делает проблему микропластика ещё более актуальной.

Фотосинтез — природный процесс превращения солнечного света в химическую энергию. Растения используют хлорофилл для поглощения света и преобразования углекислого газа и воды в глюкозу, выделяя при этом кислород. Этот процесс происходит через последовательное поглощение четырёх фотонов, что позволяет аккумулировать энергию для расщепления воды и выделения кислорода.

Вдохновляясь фотосинтезом, химики давно стремятся использовать видимый свет для проведения сложных химических реакций. Однако большинство известных фотокатализаторов поглощают лишь один фотон за раз, что ограничивает энергию и не позволяет запускать энергоёмкие процессы, необходимые для синтеза сложных органических соединений.

В нашей исследовательской группе Polyzos при Школе химии мы разработали новый класс фотокатализаторов, способных, подобно растениям, аккумулировать энергию нескольких фотонов. Это открытие позволяет эффективно использовать свет для проведения сложных химических реакций в мягких и экологичных условиях.

Мы применили эту технологию для получения карбанионов — важнейших отрицательно заряженных углеродных частиц, используемых в синтезе лекарств, полимеров и других материалов. Традиционные методы получения карбанионов требуют высоких энергозатрат, токсичных реагентов и низких температур, что создаёт экологические и технологические проблемы.

Используя нашу многофотонную фотокаталитическую систему, мы превращаем простые алкены — молекулы с углерод-углеродными двойными связями — в высокореактивные карбанионы, после чего быстро синтезируем сложные молекулы. Этот метод проходит в щадящих условиях, без токсичных металлов и с минимальным количеством отходов, что делает его перспективным для промышленного применения.

Мы успешно синтезировали важные лекарственные вещества, включая антигистаминные препараты, в один этап, используя доступные амины и алкены. Реакция хорошо масштабируется в промышленных реакторах непрерывного действия, подчёркивая её практическую значимость.

Этот подход открывает новые возможности для создания сложных органических молекул с помощью видимого света, сочетая эффективность и экологичность, и обходясь без тяжёлых металлов и агрессивных реагентов.

В будущем мы планируем расширить спектр реакций с использованием света, включая более разнообразные образования углерод-углеродных связей, а также объединить фотокатализ с ферментативным катализом. Ферменты, обладающие высокой селективностью, вместе с нашими фотокатализаторами смогут обеспечить синтез сложных трёхмерных молекул, важных для разработки новых лекарств.

Изучая фотосинтез и применяя его принципы, наша команда создаёт новую парадигму химического производства, где солнечный свет становится устойчивым и элегантным источником энергии для создания молекул, формирующих наш мир.

Квазиспутники — это особый класс малых тел, таких как астероиды, которые находятся в орбитальном резонансе 1:1 с планетами. Это означает, что они имеют период обращения вокруг Солнца, аналогичный периоду обращения планеты, но не являются её естественными спутниками. Вместо этого квазиспутники движутся по орбитам, близким к орбитам планет, и могут сохранять относительную близость к ним на протяжении длительных периодов времени.

Одной из ключевых особенностей квазиспутников является то, что они не обращаются непосредственно вокруг планеты. Вместо этого их орбиты вокруг Солнца могут принимать сложные формы, которые создают иллюзию, что они следуют за планетой. В системе отсчёта, связанной с планетой, орбита квазиспутника может выглядеть как «восьмёрка» или «бублик», что соответствует их взаимодействию с гравитацией планеты.

Квазиспутники являются частью более широкой категории коорбитальных объектов, которые также включают троянцев (объекты, находящиеся в точках Лагранжа) и хордальных объектов. Эти тела могут находиться в стабильных орбитах, что делает их интересными для изучения динамики малых тел в Солнечной системе.

Примером квазиспутника является астероид 469219 Кассатка, который движется вблизи орбиты Земли. Он остаётся в этом состоянии в течение десятков лет, что позволяет астрономам исследовать его траекторию и взаимодействие с Землёй. Квазиспутники могут оказывать влияние на динамику планетарных систем и даже представлять потенциальные угрозы для планет, если их орбиты изменяются.

Изучение квазиспутников имеет важное значение для астрономии и космических исследований. Понимание их динамики может помочь в оценке рисков, связанных с потенциальными столкновениями с Землёй, а также в поиске объектов, которые могут быть интересны для будущих космических миссий, таких как исследование ресурсов или изучение условий для жизни. Квазиспутники открывают новые горизонты в понимании формирования и эволюции малых тел в нашей Солнечной системе и за её пределами.

В пустыне недалеко от города Дуньхуан расположены две уникальные солнечные башни, окружённые тысячами зеркал, которые фокусируют солнечный свет на резервуары с расплавленной солью, находящиеся на вершинах этих башен. Благодаря высокой теплоёмкости расплавленная соль способна аккумулировать большое количество тепла в течение дня и сохранять его даже ночью. Затем накопленное тепло передаётся турбинам, которые вырабатывают электроэнергию.

Эта система обеспечивает энергией и освещением около 80 000 домов, демонстрируя эффективное использование возобновляемых источников энергии. Такой подход позволяет значительно снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить выбросы парниковых газов, способствуя борьбе с изменением климата.

Кроме того, технология аккумулирования тепла в расплавленной соли обеспечивает стабильное и непрерывное энергоснабжение, что является одним из главных преимуществ по сравнению с традиционными солнечными панелями, зависящими от наличия солнечного света. Проект в Дуньхуане служит примером успешной интеграции современных технологий и экологически чистых решений, открывая новые перспективы для развития устойчивой энергетики в регионах с высоким уровнем солнечной инсоляции.