Нержавеющая сталь, применяемая в таких сферах, как кухонные приборы и инфраструктура устойчивой энергетики, широко используется благодаря своей выдающейся коррозионной (ржавчинной) стойкости. Этот материал играет ключевую роль во множестве отраслей, включая производство, транспорт, нефтегазовую, ядерную энергетику и химическую переработку.

Тем не менее, нержавеющая сталь может подвергаться процессу, известному как сенсибилизация, когда она сталкивается с определенными высокими температурами, например, во время сварки. Это существенно снижает ее коррозионную стойкость. Если этот процесс не контролировать, коррозия может привести к образованию трещин и структурной неустойчивости.

«Это серьезная проблема для нержавеющей стали», — утверждает Кумар Сридхарана, профессор ядерной инженерии, инженерной физики и материаловедения в Университете Висконсин–Мэдисон. «Когда нержавеющая сталь подвергается коррозии, компоненты необходимо заменять или восстанавливать. Этот процесс обходится дорого и приводит к длительным простоям в промышленности».

Сридхарана и Кастури Нарасимха Сасидхара, научный сотрудник в группе Сридхарана, продемонстрировали новый подход к восстановлению коррозионной стойкости нержавеющей стали, который может оказаться значительно быстрее и потенциально менее затратным, чем традиционные методы восстановления с применением высокой температуры.

Чтобы глубже понять, почему их метод оказался столь успешным в восстановлении коррозионной стойкости, исследователи использовали передовую технику, известную как атомно-пробная томография, в сотрудничестве с компанией CAMECA Instruments Inc. (AMETEK), имеющей связи с UW–Мэдисон.

В своем подходе исследователи применили технологию, называемую «ультразвуковая нанокристаллическая модификация поверхности», на образце сенсибилизированной нержавеющей стали. В этом процессе твердый штифт воздействует на поверхность стали с чрезвычайно высокими частотами.

«Мы продемонстрировали, что ультразвуковая нанокристаллическая модификация поверхности способна восстановить коррозионную стойкость нержавеющей стали без применения термообработки, что является действительно значительным достижением», — утверждает Сридхарана.

Несмотря на то что ультразвуковая нанокристаллическая модификация поверхности не поддается легкому масштабированию, Сридхарана отмечает, что данное исследование может открыть новые горизонты для разработки аналогичных, более масштабируемых методов модификации поверхности, направленных на оптимизацию характеристик нержавеющих сталей.

Естественно, исследователи стремились понять, почему их метод оказался столь эффективным. Традиционные методы микроскопии, такие как сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия, оказались недостаточными для получения необходимых данных, позволяющих ответить на их вопросы.

«Технология атомной пробной томографии от CAMECA предоставила исследователям возможность изучать сталь на нанометровом уровне в трех измерениях и точно измерять расположение элементов в материале», — отмечает Сасидхар, ныне старший научный сотрудник компании CAMECA Instruments Inc.

Нержавеющая сталь содержит примерно 18% хрома, что и обеспечивает ее коррозионную стойкость. Однако в процессе сенсибилизации хром истощается в микроскопических областях нержавеющей стали. Удивительно, но именно эти крошечные зоны истощения становятся причиной резкого снижения коррозионной стойкости.

Команда обнаружила, что применение ультразвуковой нанокристаллической модификации поверхности выровняло концентрацию хрома в микроскопических истощенных областях, что способствовало восстановлению коррозионной стойкости.

Сридхарана подчеркивает, что сотрудничество UW–Madison с CAMECA, ведущим мировым производителем оборудования для атомной пробной томографии, сыграло ключевую роль в этом прорыве. Предшественником бизнеса CAMECA в области атомной пробной томографии была компания Imago Scientific Instruments Corporation, основанная в 1998 году Томом Келли, бывшим профессором материаловедения и инженерии в UW-Madison. В 2010 году Imago была приобретена компанией AMETEK и интегрирована в бизнес-единицу CAMECA.

«Компания имеет глубокие исторические связи с UW–Madison», — отмечает Роберт Ульфиг (BSNEEP '94, MSMS&E '97), старший специалист по приложениям и развитию бизнеса в CAMECA и соавтор статьи, который тесно сотрудничал со Сридхараной во время его аспирантуры. «Это волнительно, что нам удалось объединить усилия с университетом для осуществления этого значительного открытия».

Каталитическое преобразование отходов CO2 в ценные топлива и химические вещества открывает беспрецедентные возможности как для охраны окружающей среды, так и для экономического развития. Электрокаталитическая реакция восстановления CO2 (CO2RR) привлекла значительное внимание благодаря своей способности эффективно преобразовывать CO2 в чистую химическую энергию при мягких условиях. Однако относительно высокая энергетическая барьера для образования промежуточного *COOH часто становится определяющим этапом в CO2RR, значительно ограничивая эффективность реакции.

Вдохновленная катализом ферментов, команда под руководством профессоров Цзянь Хай-Луна и Цзяо Луна из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) разработала новую стратегию стабилизации промежуточного *COOH и повышения электролитического восстановления CO2 путем создания и модуляции микросреды водородных связей вокруг каталитических сайтов. Их работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В данной работе команда совместно модифицировала каталитически активные единицы Co(salen) и пиридилзамещенные алкиловые карбоновые кислоты (X-PyCn) на нанолистах MOF на основе Hf (MOFNs) с помощью метода постдекорации, получив материалы Co&X-PyCn/MOFNs (где X = o, m или p обозначает орто-, мета- или пара- положение атома азота пиридина относительно алкильной цепи; n = 1 или 3 обозначает количество атомов углерода в алкильных цепях).

Co&X-PyCn/MOFNs достигают точного контроля над пространственным расположением атомов азота в пиридиновых группах относительно Co(salen), что предоставляет новый и простой подход к модуляции микросреды вокруг каталитических сайтов на атомном уровне.

Среди катализаторов оптимизированный Co&p-PyC3/MOFNs демонстрирует значительно повышенную каталитическую активность и селективность в электролитическом восстановлении CO2, превосходя Co/MOFNs без пиридинового блока и другие аналоги Co&X-PyCn/MOFNs.

Более того, в процессе электролитического восстановления CO2 наблюдается ин-ситу редукция пиридина до пиридинилового радикала (PyrH•), и ин-ситу образованные виды PyrH• подтверждаются как реальная микросреда вокруг Co(salen) для повышения производительности.

Исследования механизма показывают, что PyrH• может взаимодействовать с молекулами трифлуороэтанола (TFE) в электролите, стабилизируя промежуточное *COOH путем генерации триадного промежуточного соединения *COOH···TFE···PyrH• через водородные связи, что значительно минимизирует энергетический барьер реакции. Это предоставляет ясное представление о способе работы микросреды для оптимизации производительности в процессе катализа.

Данная работа однозначно демонстрирует важность модуляции микросреды вокруг каталитических сайтов для повышения эффективности катализа, открывая новый путь для понимания механизмов в будущих исследованиях катализа.

Ссылка на пост: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2419434122

"Первый метод основан на резонансе, что ограничивает фокусировку света определенной длиной волны. Второй метод функционирует аналогично традиционной линзе, однако применяется в устройствах, которые значительно больше длины волны используемого света."

Теоретическая концепция, разработанная исследователями из Корнельского университета под руководством Геннадия Швеца, указала на новый метод, который кандидат наук Даниэль Муйс и его коллеги продемонстрировали впервые. Ключевым аспектом этого метода является так называемая топология физической системы.

Муйс поясняет: "Мы используем фотонные кристаллы, представляющие собой пластины кремния с регулярным узором очень мелких отверстий, которые фактически запрещают распространение света в кремниевой пластине. Однако, когда мы располагаем два таких кристалла с зеркальным узором рядом друг с другом, на их границе формируется волновод; свет может двигаться только вдоль этой границы. Уникальность данного дизайна заключается в том, что проводимость света 'топологически защищена', что означает, что рассеяние или отражение света из-за несовершенств в кристалле подавляется."

Исследователи задумались, что произойдет, если резко завершить такой волновод "стеной" из материала, через который свет не может пройти. "Поскольку свет не имеет выхода, и отражения подавлены, он должен накапливаться перед этой стеной," говорит Муйс. "Свет в конечном итоге отразится обратно через волновод, но только с задержкой. Это приводит к локальной амплификации света."

Группы Эвальда Верхагена из AMOLF и Кобуса Куиперса из TU Delft решили проверить эти предсказания в эксперименте совместно с исследователями из Корнельского университета. Топологические волноводы были изготовлены на кремниевом чипе в AMOLF. Для визуализации предсказанного накопления света внутри фотонного кристалла Муйс использовал уникальный микроскоп в TU Delft, который сканирует световые поля с помощью ультратонкой иглы над поверхностью кристалла. Этот микроскоп способен локализовать интенсивность света на масштабе примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса.

"Мы действительно наблюдали четкую амплификацию светового поля в конце топологического волновода. Интересно, что это произошло только тогда, когда 'стена', завершающая волновод, была расположена под определенным углом. Это полностью соответствовало предсказаниям наших партнеров из Корнелла," говорит Муйс.

"Это подтверждает, что амплификация света связана с топологическим подавлением обратного отражения. Амплификация света сосредоточена в очень небольшом объеме, сопоставимом с длиной волны самого света. Основное преимущество данного метода заключается в его широкополосности: он работает для нескольких различных длин волн."

Статья в журнале Science Advances, в которой равные доли вклада внесли Муйс и его коллега из Корнелла Ян Донг Ли, может быть воспринята как руководство для дальнейших исследований или приложений данной формы амплификации света на чипе. Продемонстрированный механизм также должен быть применим к любому другому типу волн в структурированной среде, включая звуковые волны или даже электроны в определенных кристаллах.

Муйс добавляет: "Следующим шагом было бы интересно использовать импульсный лазер для изучения времени, в течение которого свет продолжает накапливаться, чтобы выяснить, насколько можно максимизировать амплификацию поля, и использовать это для приложений в манипуляции светом на оптических чипах."

С учетом растущего спроса на батареи, обладающие возможностями сверхбыстрой зарядки и высокой энергетической плотностью в различных секторах — от электромобилей до систем крупномасштабного хранения энергии (ESS) — совместная исследовательская группа из POSTECH (Поханского университета науки и технологий) и Корейского института энергетических исследований (KIER) разработала перспективный анодный материал нового поколения, который может удовлетворить эти критические потребности. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Графит, наиболее распространенный анодный материал в литий-ионных батареях (LIB), обладает высокой структурной стабильностью, однако ограничен низкой теоретической емкостью и медленными скоростями зарядки и разрядки. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи предложили новую конструкцию электрода, сочетающую жесткий углерод с оловом (Sn).

Жесткий углерод представляет собой неупорядоченный углеродный материал с множеством микропор и каналов, что способствует быстрой диффузии литиевых и натриевых ионов. Эта структура обеспечивает как высокую энергоемкость, так и механическую прочность, что делает ее идеальной для приложений с высокой скоростью и длительным сроком службы.

Тем не менее, внедрение олова создало новую проблему. Чем меньше частицы олова, тем эффективнее снижается проблемное объемное расширение в процессе циклирования, что повышает общую стабильность. К сожалению, низкая температура плавления олова (около 230 °C) затрудняет синтез таких мелких частиц. Исследовательская группа решила эту проблему с помощью процесса сол-гель, за которым последовало термическое восстановление, успешно внедрив равномерно распределенные суб-10 нм наночастицы олова в матрицу жесткого углерода.

Полученная композитная структура демонстрирует функциональный синергизм, выходящий за рамки простого физического смешивания. Наночастицы олова не только выступают в качестве активных материалов, но и служат катализаторами, способствующими кристаллизации окружающего жесткого углерода. В процессе электрохимического циклирования обратимое образование связей Sn–O способствует увеличению емкости батареи за счет конверсионных реакций.

Созданный электрод продемонстрировал отличные характеристики в литий-ионных ячейках, сохраняя стабильную работу более 1,500 циклов при условиях быстрой зарядки за 20 минут, достигая 1.5-кратной увеличенной объемной энергетической плотности по сравнению с традиционными анодами из графита. Это достижение представляет собой успешную интеграцию высокой мощности, высокой энергии и длительного срока службы в одном электроде.

Примечательно, что электрод также демонстрирует выдающиеся характеристики в натрий-ионных батареях (SIB). Натриевые ионы, как правило, показывают низкую реактивность с традиционными анодными материалами, такими как графит или кремний. Тем не менее, композитная структура жесткий углерод-олово сохраняет отличную стабильность и быструю кинетику в натриевой среде, подчеркивая свою универсальность на различных платформах батарей.

Профессор Соджин Парк из POSTECH заявил: «Это исследование представляет собой новую веху в разработке высокоэффективных батарей следующего поколения и обещает найти применение в электромобилях, гибридных системах и крупномасштабных ESS».

Доктор Гюджин Сонг из KIER добавил: «Создание анода с одновременно высокой мощностью, стабильностью и энергетической плотностью, а также его совместимость с натрий-ионными системами, знаменует собой поворотный момент на рынке перезаряжаемых батарей».

Эта работа была проведена профессором Соджином Парком, доктором Сунхо Чоем и доктором Донг-Йобом Ханом в POSTECH в сотрудничестве с доктором Гюджином Сонгом из KIER.

Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) достигли значительного прорыва в разработке массивов резонаторов — основных компонентов, которые питают квантовые технологии. Эта инновация может привести к созданию более компактных и точных квантовых устройств.

Кубиты, или квантовые биты, в первую очередь известны благодаря своей роли в квантовых вычислениях, однако они также находят применение в аналоговом квантовом моделировании, которое использует одну хорошо контролируемую квантовую систему для симуляции другой, более сложной. Аналоговый квантовый симулятор может быть более эффективным, чем цифровая компьютерная симуляция, так же как проще использовать аэродинамическую трубу для моделирования законов аэродинамики, нежели решать множество сложных уравнений для предсказания потока воздуха.

Ключевым аспектом как цифровых квантовых вычислений, так и аналогового квантового моделирования является возможность формировать среду, с которой взаимодействуют кубиты. Одним из инструментов для эффективного выполнения этой задачи является массив связанных резонаторов (CCA) — крошечные структуры, состоящие из множества микроволновых кавитаций, расположенных в повторяющемся порядке, где каждая кавитация может взаимодействовать с соседними. Эти системы открывают ученым новые способы проектирования и управления квантовыми системами.

Похожим образом на электроны в кристаллах, которые могут блокировать поток электричества на определенных частотах, создавая полупроводники и изоляторы, в CCA свет, представленный фотонами, может распространяться только на специфических длинах волн. Тщательно подбирая геометрию этих резонаторов, ученые могут точно выбирать длины волн, на которых фотоны могут проходить, и те, на которых они не могут.

Команда EPFL под руководством профессора Паскуале Скарлино, руководителя Лаборатории гибридных квантовых схем, в сотрудничестве с доктором Марко Счилиуццо из Лаборатории фотоники и квантовых измерений EPFL и профессором Оде Зильбербергом из Университета Констанца, разработала инновационный дизайн для CCA с использованием ниобиевого нитрида (NbN) — сверхпроводника, обладающего передовым свойством, известным как высокая кинетическая индуктивность, в которой лаборатория Скарлино является ведущим экспертом.

Используя высокую кинетическую индуктивность, Скарлино и его команда продемонстрировали новый класс CCA, где каждая кавитация сильно миниатюризирована, а нежелательное рассеяние в резонансных частотах всех кавитаций сведено к минимуму. Оба этих аспекта критически важны для достижения функциональности, необходимой в будущих квантовых вычислениях и квантовом моделировании.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, продемонстрировало возможность создания компактного массива из 100 высококачественных кавитаций. Ученые показали, как работают эти структуры, и использовали их для имитации материала, называемого фотонным топологическим изолятором, который может направлять свет вдоль своих краев очень контролируемым и необычным образом.

«Мы уже строим на основе этой работы, изучая искусственные атомы, связанные с этой архитектурой», — говорит Винсент Жуани, первый автор статьи.

«Наш подход демонстрирует, что компактность и точность не являются противоречивыми целями, а, напротив, взаимодополняющими инструментами для продвижения технологий квантовых устройств», — утверждает Скарлино. «Данная работа иллюстрирует, как продуманный дизайн может гармонично сочетать компактность, высокое сопротивление и низкое рассеяние, создавая универсальную платформу для массивов связанных резонаторов, что открывает новые возможности для продвинутых квантовых симуляций и исследования квантовых явлений».

Используя уникальные свойства ниобиевого нитрида, исследователи EPFL открыли новые горизонты для изучения сложных квантовых систем и разработки масштабируемых платформ для будущих инноваций. Этот прорыв в дизайне массивов связанных резонаторов представляет собой значительный шаг к созданию более компактных, эффективных и надежных квантовых устройств.

Представьте себе крошечные детали LEGO, которые автоматически соединяются, формируя прочный, плоский лист. Затем ученые добавляют специальные химические «крючки» к этим листам, чтобы прикрепить светящиеся молекулы, известные как флуорофоры.

Ассоциированный профессор Гэри Бейкер, Пиюни Иштавеера, доктор философии, и их команда разработали эти крошечные глиняные материалы, названные флуоресцентными поли-ионическими наноглинами. Их можно настроить для множества применений, включая развитие технологий в области энергии и сенсоров, улучшение медицинских методов лечения и защиту окружающей среды.

Тысячи коммерчески доступных флуорофоров используются сегодня для медицинской визуализации, обнаружения заболеваний и маркировки биомаркеров, а также в сенсорах для химического анализа, судебных расследований и биосенсорики. Они также могут играть ключевую роль в промышленных приложениях, таких как мониторинг качества воды.

«Они обладают высокой функциональностью, что позволяет нам контролировать количество и типы флуоресцентных молекул, прикрепленных к поверхностям этих наноглин», — сказал Бейкер, чей пост находится в кафедре химии.

«Это обеспечивает универсальную платформу, на которой оптические и физико-химические свойства могут быть точно настроены путем выбора и прикрепления соответствующих молекул. Эта готовая к использованию настройка является отличительной чертой этих материалов, позволяя применять их в широком спектре областей».

Предварительные испытания показывают, что эти материалы безопасны для медицинского использования и могут помочь врачам более четко видеть внутренние органы. Ученые уже используют флуорофоры для выделения клеток и тканей под специальными микроскопами, что позволяет визуализировать мельчайшие детали. Эти светящиеся молекулы также применяются для отслеживания заболеваний, изучения функционирования клеток и помощи в диагностике различных состояний здоровья.

«Нормализованные по объему, наши флуоресцентно помеченные глины демонстрируют 7,000 единиц яркости, что соответствует самым высоким показателям, когда-либо зарегистрированным для флуоресцентных материалов», — отметил Бейкер.

«Увеличенная яркость делает эти материалы крайне полезными для чувствительных методов оптического обнаружения. Это приводит к усилению аналитических сигналов и улучшению точности обнаружения, открывая новые возможности для создания продвинутых сенсоров и контрастных агентов в медицинской визуализации».

Хотя флуоресценция является ключевым аспектом текущих исследований, Бейкер отметил, что команда стремится исследовать и другие способы модификации наноглин с использованием различных молекул, таких как аминокислоты, антитела, ДНК-аптамеры и лиганды для селективного связывания металлов. Это означает, что эти материалы могут быть применены не только в качестве светящихся датчиков и для визуализации. Они также могут способствовать улавливанию солнечной энергии, доставке лекарств, улучшению технологий на основе света и медицинских тестов, отслеживанию заболеваний и лечению рака.

Среди других соавторов находятся Луис Поло-Парада, доцент медицинской фармакологии и физиологии в Университете Мизу, и Натаниль Ларм из Военно-морской академии США. Иштавеера в настоящее время работает в Управлении по контролю за продуктами и лекарствами США.

Исследователи создали молекулярную наноклетку, способную эффективно улавливать основную массу per- и полифторалкильных соединений (PFAS), присутствующих в воде, и превосходящую по эффективности традиционные методы фильтрации с использованием активированного угля. Эта миниатюрная система фильтрации, основанная на органическом нанопористом материале, специально разработанном для избирательного захвата PFAS, удалила 80–90% этих веществ из сточных и грунтовых вод соответственно, при этом практически не оказывая негативного воздействия на окружающую среду.

Исследование проведено учёными Университета Буффало и опубликовано в журнале ACS ES&T Engineering.

PFAS — это химические соединения, которые иногда называют «вечными химикатами». Они широко применяются в производстве пищевой упаковки, антипригарных покрытий и других изделий. PFAS крайне устойчивы к разложению и чрезвычайно трудно выводятся из водных источников.

Согласно данным исследований, воздействие PFAS может вызывать широкий спектр неблагоприятных последствий для здоровья, включая снижение фертильности, задержки в развитии у детей и повышенный риск развития некоторых видов рака. Безопасное и эффективное удаление PFAS из грунтовых, сточных и других водных источников остаётся национальной задачей.

Молекулярные наноклетки ранее рассматривались как перспективные кандидаты для удаления загрязнителей, включая PFAS. Их прочная структура позволяет захватывать, удалять и химически обезвреживать опасные вещества, такие как PFAS и другие. Кроме того, по мнению авторов исследования, такие наноклетки потенциально способны фильтровать вредные газы из воздуха.

В ходе работы учёные синтезировали наноклетки из органических соединений, известных как порфирины. Ранее уже было показано, что порфириновые наноклетки успешно удаляют из воды красители, антибиотики, инсектициды и вещества, нарушающие гормональный баланс человека.

Далее исследователи проверили способность своих наноклеток поглощать 38 различных видов PFAS, включая GenX — распространённый компонент антипригарных покрытий и других материалов. Результаты показали, что наноклетки удаляют до 90% PFAS из грунтовых вод и до 80% — из необработанных сточных вод.

Органические молекулярные наноклетки также значительно превзошли по эффективности активированный уголь, особенно при очистке необработанных сточных вод. Как отмечают исследователи, активированный уголь и другие методы очистки, такие как ионообменные смолы и обратный осмос, слабо взаимодействуют с PFAS, а также отличаются высокой стоимостью, сложностью обслуживания и значительным энергопотреблением по сравнению с наноклетками.

«Порфириновые наноклетки представляют собой потенциально практичное решение проблемы удаления PFAS», — отмечает Сэми Эль-Шалл, директор программы в отделе химии Национального научного фонда США. — «Этот материал можно производить в промышленных масштабах, а структуру клеток модифицировать так, чтобы удалять исключительно PFAS, не затрагивая другие компоненты воды».