Источник

Чем больше мы узнаем, тем больше появляется вопросов 🤔

Всю карьеру я был заинтригован тем, как ведут себя материалы, когда их размер сокращается до наноуровня — всего нескольких нанометров. При этом привычные законы физики начинают ломаться. Особенно интересно это в теплопроводности, где тепло переносится "фононами" — колебаниями атомов. Фононы очень чувствительны к ограниченному пространству.

Пару лет назад моделирование показало странную штуку: в ультратонких пленках кремния (толщиной 1–2 нанометра, как несколько слоев атомов) теплопроводность достигает минимума, а затем снова растет при еще меньшей толщине. Это противоречило традиционным теориям, которые предсказывали, что тепло будет ухудшаться по мере истончения пленки из-за меньшего места для движений фононов.

В своей новой статье в журнале Applied Physics я исследовал это с другой стороны. Вместо обычных моделей я посмотрел на ограничение с точки зрения геометрии. В обычных материалах фононы занимают шар в "обратном пространстве" (сфера Дебая). В тонкой пленке длинноволновые фононы исчезают, создавая "дыры" в этом шаре, как пустые зоны.

По мере истончения пленки эти дыры растут, искажая шар и смещая колебания к низким частотам. Это меняет "плотность состояний" — количество возможных колебаний. Теперь доминируют низкочастотные моды, которые хорошо переносят тепло. Моя модель точно совпала с данными моделирования без подгонки параметров.

Этот случай показывает, что в наноразмерных материалах нужно переосмысливать основы: простые геометрические ограничения могут объяснить странное поведение, а не только экзотика.

Последствия шире: похожие эффекты могут быть в проводниках, устройствах и даже двухмерных материалах. Это важно для электроники, где размер всё меньше, и для квантовых технологий, где тепло может нарушить работу. Я уже думаю о расширениях: от новых материалов до применения в суперведения и квантовых устройствах. Каждый сюрприз открывает двери к новой физике и технологиям.

(Автор — Антонио Закконе, профессор в Миланском университете. Ранее преподавал в Мюнхенском ТУ и Кембридже. Награды: серебряная медаль ETH, премия Геттингенской академии, стипендия Королевского колледжа, грант ERC. Работал над аналитикой переходов, упаковкой частиц и термоактивируемыми реакциями.)

Исследование провели в Центре нейробиологических исследований изображений (CNIR) при Институте фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Университетом Сунгкюнкван (SKKU). Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Биологические ткани, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, подвижные и изогнутые. Существующие биоэлектронные устройства часто кажутся чужеродными, вызывая воспаление, плохую адгезию и нестабильные сигналы. Даже ультратонкие из них требуют клеев, подложек или опор.

Команда задалась вопросом: что, если устройство становится мягким и самоклеящимся только при контакте с тканью? Это привело к THIN — наномембране без подложки, которая самоклеится к влажной ткани без швов или давления. Она адаптируется к микроскопически изогнутым поверхностям, поддерживая длительный контакт.

THIN состоит из двух слоев: гидрогеля (альгинат, конъюгированный с катехолом, Alg-CA) для адгезии и полупроводникового эластомера P(g2T2-Se) для проводимости. При увлажнении жесткость уменьшается в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁶ ГПа⋅м²), позволяя обхватывать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм — она становится механически незаметной.

Полимер P(g2T2-Se) показывает рекордное произведение подвижности на емкость (μC*) — 1034 Ф⋅см⁻¹⋅В⁻¹⋅с⁻¹, в 3,7 раза выше, чем у обычных материалов. Это обеспечивает высокую ионно-электронную связь для органических электрохимических транзисторов (OECT), усиливающих биосигналы даже при растяжении.

В экспериментах на грызунах THIN мгновенно прикреплялось к сердцу, мышцам и коре мозга, регистрируя электрокардиограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырех недель без воспалений.

"Наша платформа THIN-OECT — как нанокожа: невидимая для тела, механически неощутимая и электрически мощная, — сказал профессор Дж. Сон Донхи. — Это открывает перспективы для интерфейсов мозг-машина, мониторинга сердца и нейропротезирования".

В отличие от систем на эластомерных подложках, THIN автономен, работает на наноуровне и исключает неопределенности сигналов. Она усиливает сигналы прямо на месте контакта, устраняя нужду во внешних усилителях, и подходит для импантируемых, носимых или инъекционных устройств.

Будущие разработки включают многоканальные матрицы THIN с беспроводной связью для замкнутых интерфейсов мозг-машина, реабилитационной робототехники и биорезорбируемых версий для минимально инвазивного применения.

Основным достижением стало увеличение емкости углеродных наностен путем обработки оптимальной дозой высокоэнергетических ионов аргона. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

В отличие от традиционных накопителей энергии, таких как литий-ионные батареи, суперконденсаторы способны накапливать или отдавать энергию почти мгновенно, что делает их идеальными для резких всплесков мощности — например, при старте автомобиля, подъеме тяжестей или перепадах напряжения в электросети. Когда избыточная энергия выделяется (как при торможении электропоезда), суперконденсатор может ее захватить для повторного использования.

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы функционируют в более широком диапазоне температур, менее подвержены деградации, представляют меньший риск возгорания и проще поддаются переработке. Комбинация двух технологий продлевает срок службы и ускоряет зарядку литиевых батарей.

«Чем больше энергии смогут хранить суперконденсаторы, тем шире область их применения. Мы исследуем методы улучшения их свойств путем различных видов обработки углеродного материала электрода», — отмечает руководитель исследования, доцент кафедры материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

«Ранее в этом году мы продемонстрировали, что емкость можно увеличить за счет внедрения атомов других элементов в углеродные наностены. Сейчас мы получили более значимый прирост, обработав углеродный материал ионами аргона на ускорителе. Мы выявили оптимальную дозу ионов для максимального формирования полезных дефектов без чрезмерного повреждения вещества».

Углеродные наностены можно визуализировать как вертикально ориентированные стопки из примерно 10–15 слоев графена.

Благодаря своей структуре углеродные наностены обладают большой удельной поверхностью, что обеспечивает высокую емкость источников энергии. Для дальнейшего улучшения свойств наностены обрабатывались имплантацией ионов аргона, вызывавшей появление дополнительной дефектов в материале.

Эти дефекты и их взаимодействие с функциональными группами при окислении на воздухе привели к улучшению электрохимических характеристик углеродных наностен.

Соавтор исследования Никита Орехов, заместитель руководителя лаборатории вычислительного проектирования материалов МФТИ, подчеркнул: «Атомистическое моделирование на суперкомпьютере помогло нам обнаружить специфические структурные изменения в углеродных наностенах после воздействия разными дозами ионного облучения.

"Как выяснилось, при оптимальных дозах около 1014 ионов на квадратный сантиметр в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Поскольку молекулы электролита имеют нанометровые масштабы, они способны проникать в эти пустоты. Таким образом, материал отличается не только большой удельной поверхностью, но и наноструктурой, дополнительно повышающей емкость".

По словам участников исследования, ионная имплантация — это отлаженная технология, широко используемая в микроэлектронике для активации кремния. Теперь она может способствовать разработке современных энергоносителей. Ионная обработка эффективна даже для углеродных материалов с изначально высоким качеством.

Стоит отметить, что такая методика позволяет улучшать углеродный материал в объеме, а не только на поверхности, благодаря высокой проникающей способности ионов.

«По сравнению с гетероатомами, которые мы раньше внедряли в углеродные наностены, дефекты создавать проще, поэтому вместо тонкого активированного слоя такой "активированный уголь" можно производить практически в промышленных объемах», — добавил Евлашин.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-025-03770-6