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.)

Через год после встречи исследователей NREL Мэтью Хаутцингера и Сейджа Бауэрса, посвящённой малоизученным наноматериалам, они успешно синтезировали квантовые точки из фазы Zintl на основе BaCd2P2. Эти нанокристаллы привлекают внимание яркой фотолюминесценцией, химической стабильностью и использованием доступных природных элементов.

"Мы переоценили материалы, разработанные 40-50 лет назад, чтобы найти новые неорганические кандидаты для современной оптоэлектроники", — отметил Хаутцингер. В частности, BaCd2P2 заинтересовал их оптимальной шириной запрещённой зоны, долгим временем жизни носителей и высокой устойчивостью к дефектам.

Поскольку традиционные методы получения материалов фазы Zintl непрактичны, команда провела первый синтез коллоидных квантовых точек BaCd2P2 и изучила их свойства, опубликованные в ACS Nano. Квантовые точки — нанокристаллы размером в несколько нанометров — обладают настраиваемыми оптическими и электронными характеристиками благодаря эффектам квантового удержания. Это открывает возможности для улучшения светодиодов, дисплеев, оптических волокон, солнечных панелей и биовизуализации.

Бауэрс подчеркнул, что уже при первом синтезе квантовые точки BaCd2P2 демонстрировали яркую фотолюминесценцию без специальной химической обработки, что говорит о большом потенциале материала.

Ключевым фактором стала высокая устойчивость BaCd2P2 к дефектам, предсказанная теоретически и подтверждённая экспериментально. В отличие от классических полупроводников, где требуется пассивация поверхности, этот материал легче превращается в квантовые точки без снижения качества.

Синтез осуществлялся путём быстрого введения фосфорного предшественника в нагретую смесь бария и кадмия с лигандами. Регулировка температуры позволяла контролировать размер наночастиц и их оптические свойства.

Для подтверждения структуры и состава использовались методы электронной и рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии и рентгеновской флуоресценции.

Полученные квантовые точки излучали яркий свет с квантовым выходом фотолюминесценции около 21% — показатель, достигаемый без сложной обработки и важный для промышленного применения.

Далее команда создала тонкие пленки из раствора BaCd2P2, характерные для оптоэлектронных устройств. Исследования показали гладкую поверхность без дефектов, что открывает путь к интеграции материала в реальные технологии.

"Мы упростили процесс синтеза, не потеряв контроля над свойствами материала", — отметил Бауэрс. Пленки из квантовых точек BaCd2P2 могут стать более доступной и эффективной альтернативой существующим технологиям.

Кроме того, BaCd2P2 состоит из широко распространённых элементов, что снижает риски перебоев в цепочках поставок. Команда также экспериментировала с частичной заменой кадмия на цинк для снижения токсичности, сохраняя фотолюминесцентные свойства.

"Это новое направление, и мы продолжим исследовать, как изменение состава влияет на свойства и открывает новые возможности", — добавил Бауэрс.

Таким образом, исследование квантовых точек на основе фаз Zintl, таких как BaCd2P2, открывает перспективы для развития оптоэлектроники с использованием стабильных, доступных и настраиваемых материалов.

Органическая химия, изучающая соединения углерода, составляет основу жизни на Земле. Однако металлы также играют важнейшую роль во многих биохимических процессах. Для объединения атомов тяжелых металлов с органическими соединениями природа использует особые структуры — порфирины. Эти молекулы образуют органическое кольцо, способное удерживать в центре ионы металлов, таких как железо, кобальт или магний.

Порфириновый каркас лежит в основе гемоглобина в крови человека, хлорофилла в растениях и многих ферментов. В зависимости от типа металла в центре молекулы, свойства соединений могут значительно варьироваться. Ученые давно стремятся использовать эту функциональность порфиринов, в том числе в молекулярной электронике.

Исследователям из лаборатории nanotech@surfaces компании Empa в сотрудничестве с химиками из Института исследований полимеров Макса Планка удалось решить ключевую задачу — соединить отдельные молекулы порфиринов с графеновыми нановолокнами точным и контролируемым способом.

Графеновые нановолокна представляют собой узкие полосы графена. Их свойства, включая проводимость и магнетизм, зависят от ширины и формы краев. Исследователи использовали ленту шириной 1 нанометр с зигзагообразными краями в качестве молекулярного провода. Вдоль этих краев молекулы порфирина располагаются через равные промежутки, чередуясь по сторонам ленты.

«Наша графеновая лента обладает особым типом магнетизма благодаря своей зигзагообразной структуре», — объясняет Фейфэй Сян, ведущий автор исследования. Атомы металла в порфиринах, в свою очередь, обладают традиционными магнитными свойствами. Разница заключается в электронах, которые обеспечивают спин — основу магнетизма.

«Благодаря соединению порфиринов с графеновой основой нам удалось объединить оба типа магнетизма в единую систему», — говорит соавтор работы Оливер Гренинг.

Это достижение открывает новые возможности в молекулярной электронике. Графеновая лента служит одновременно электрическим и магнитным проводником, выполняя роль наноразмерного «кабеля» между молекулами порфирина. Такой коррелированный магнетизм особенно перспективен для квантовых технологий, где спин выступает в качестве носителя информации.

Кроме того, порфирины являются оптически активными структурами, что позволяет взаимодействовать с электронными и магнитными свойствами системы с помощью света. Они могут излучать свет, длина волны которого изменяется в зависимости от магнитного состояния всей молекулярной цепочки. Обратный процесс также возможен: возбуждение порфиринов светом влияет на проводимость и магнетизм графеновой основы.

Синтез таких структур — сложный процесс. Молекулы-предшественники, состоящие из порфириновой сердцевины и углеродных колец, синтезируются химиками, а затем подвергаются термической обработке в условиях сверхвысокого вакуума. Золотая поверхность служит основой для формирования точных наноструктур.

В настоящее время команда работает над применением этих материалов в будущих квантовых технологиях, исследуя различные металлические центры в порфиринах и расширяя графеновую основу для создания универсальных электронных систем.

Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета разработали новый способ управления излучением в терагерцовом диапазоне, что может привести к значительным достижениям в области связи, визуализации и зондирования. Терагерцовый диапазон, находящийся между микроволнами и инфракрасным излучением, имеет большой потенциал, но управление терагерцовыми волнами было затруднено из-за их малых размеров.

Доктор Владислав Михайлов, руководитель исследований, объяснил, что для эффективного управления терагерцовыми волнами необходимо было создать новую концепцию настройки. Традиционные конденсаторы, используемые для регулирования частоты, не могли быть уменьшены до необходимого размера для работы в терагерцовом диапазоне.

Исследователи использовали метаматериалы — массивы крошечных резонаторов, которые могут резонировать на определённых частотах. Встроив проводящий материал, такой как графен, они смогли настроить оптический отклик. Вместо уменьшения резонанса, как это делалось ранее, команда создала ультратонкие настраиваемые конденсаторы из графена, что позволило изменять резонанс более эффективно.

В ходе исследований были созданы сверхмалые графеновые заплатки, которые служат перестраиваемыми конденсаторами. Эти устройства продемонстрировали глубину модуляции более чем на четыре порядка и скорость модуляции 30 МГц, что является значительным достижением для терагерцовых технологий.

Публикация взята с сайта: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01945-4

Исследователи разработали лазерный метод синтеза платиновых коллоидосом (Pt Cs) размером менее 100 нм из ультрамалых наночастиц Pt (≤5 нм), обладающих широкополосным поглощением от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. В отличие от золотых или серебряных наночастиц, Pt-наночастицы обычно слабо генерируют горячие носители при фотовозбуждении, но уникальная структура d-электронов платины обеспечивает высокую плотность состояний около энергии Ферми, что усиливает фотокаталитическую активность.

Для создания устойчивой конструкции использовали лазерно-синтезированные наночастицы Mn₃O₄ с большим числом границ зерен в качестве каркаса для равномерного закрепления Pt-наночастиц. Такая архитектура способствует эффективной генерации горячих электронов даже при низкоэнергетическом инфракрасном излучении, что подтверждено моделированием методом конечно-разностного моделирования во временной области (FDTD).

Эксперименты показали, что инфракрасное фотовозбуждение Pt Cs значительно повышает активность ферментов каталазы (CAT) и оксидазы (OXD), а также усиливает их самокаскадную каталитическую функцию. Исследование опубликовано в Angewandte Chemie. Работа выполнена под руководством профессора Дж. Лян Чанхао из Института физических наук Хэфэй Китайской академии наук совместно с учёными из Университета Падуи и Шанхайского университета Цзяо Тонг.

В опытах на животных Pt Cs продемонстрировали высокую эффективность против опухолей, чувствительных к инфракрасному излучению, а также позволили отслеживать распределение в организме с помощью МРТ. Эти результаты подчёркивают потенциал Pt Cs для эффективной фотокаталитической терапии рака с использованием ближнего инфракрасного света.

Эта красивая иллюстрация не только демонстрирует эстетическую сторону науки на наноуровне, но и отражает суть нового масштабируемого метода выравнивания BNNT в водных дисперсиях с использованием доступного поверхностно-активного вещества (ПАВ) — натрия дезоксихолата (SDC), который является желчным солевым ПАВ. Это открытие открывает перспективы создания новых материалов для аэрокосмической отрасли, электроники и других сфер.

По словам профессора Маттео Паскуали, ведущего автора исследования, работа представляет большой фундаментальный интерес, поскольку демонстрирует возможность использования BNNT в качестве модельной системы для изучения инновационных нанопалочных жидких кристаллов. Главное преимущество BNNT заключается в их относительной прозрачности и хорошей излучаемости с помощью видимого света, в отличие от углеродных нанотрубок, которые образуют тёмные жидкие кристаллы и сложны для наблюдения световой микроскопией.

Для первого автора, Джо Хури, исследование стало больше, чем просто научной работой. Обучавшийся архитектуре в Сирии, а затем переключившийся на химическую инженерию после переезда в США, он с художественным взглядом заметил важные детали. Во время обычного этапа очистки, наблюдая фильтрацию воды из дисперсии, он заметил, что оставшийся материал загустевает и под поляризованным светом начинает излучать свечение — признак формирования жидких кристаллов.

Воодушевившись этим наблюдением, исследователи предположили, что увеличение концентрации SDC может стимулировать самособирание BNNT в упорядоченные нематические фазы. Чтобы проверить гипотезу, они провели серию экспериментов с различными концентрациями SDC в дисперсиях BNNT. С помощью поляризационной микроскопии был визуализирован переход от хаотичных состояний к частично и полностью упорядоченным жидкокристаллическим фазам. Криогенная электронная микроскопия подтвердила высокое разрешение и выравнивание нанотрубок.

Ключевым достижением стало создание первой комплексной фазовой диаграммы BNNT в растворах ПАВ — прогностической карты, позволяющей предсказывать поведение BNNT при различных соотношениях компонентов. По словам Хури, ранее такие вопросы не исследовались так полно: предшествующие работы ограничивались низкими концентрациями BNNT или недостаточным количеством ПАВ. В их исследовании показано, что при правильном соотношении можно индуцировать жидкокристаллическое упорядочение без использования агрессивных химикатов и сложных методик.

Кроме изучения фазовых переходов, команда разработала простой и воспроизводимый способ преобразования дисперсий в тонкие, хорошо выровненные плёнки BNNT. Используя специализированный нож для сдвига материала на стеклянной подложке, они создали прозрачные и прочные плёнки, которые идеально подходят для теплового управления и усиления конструкций — например, для более лёгких и термостойких компонентов электроники или авиационной техники. Рентгеновская дифракция и электронная микроскопия подтвердили аккуратное наномасштабное ориентирование нитей.

Хури подчеркнул, что нематическая упорядоченность в растворе сохраняется и переносится в твёрдую фазу, что открывает масштабируемую платформу для материалов следующего поколения. Исследование прокладывает путь для новых разработок в области лизотропных жидких кристаллов на основе нанопалочек. Метод прост и не требует применения сильных кислот или жёстких условий, что делает его доступным для лабораторий по всему миру. Перспективы охватывают как фундаментальную физику, так и коммерческую инженерную практику.

Паскуали отметил, что это только начало. Благодаря созданной карте маршрута можно тонко настраивать выравнивание BNNT под конкретные задачи, создавая принципиально новый класс функциональных наноматериалов. Он также поделился, что красота полученных изображений завораживает: «Когда Джо прислал варианты для обложки, я почувствовал, словно смотрю на картины Дали или Ван Гога. Обложка могла бы быть башней Барад-дур из ‘Властелина колец’, исполненной в стиле сюрреализма.»

Хури выразил благодарность команде и наставникам, включая Паскуали; Анхеля Марти — профессора и заведующего кафедрой химии, профессора биоинженерии и материаловедения и наноинженерии в Райсе; Чеола Парка из космического центра NASA Langley; Линдси Скэммелл из BNNT LLC; Йешаяху Талмона из Техниона — Израильского технологического института и других, чья поддержка сделала это исследование возможным.