🗓 09.10 — Всемирный день нанотехнологий [вехи_истории]
💭 Праздник науки, изобретательности и невероятно малых масштабов.
💡 Почему сегодня?
Дата выбрана в связи с тем, что нанотехнологии связаны с размером в 1 нанометр (10⁻⁹ метра), что отражено в цифрах 9 и 10.
📌 Термин «нанотехнологии» впервые ввёл японский учёный Норио Танигути в 1974 году, описывая обработку материалов с точностью до нанометров.Но настоящим «отцом нанотехнологий» считают Ричарда Фейнмана, который ещё в 1959 году в знаменитой лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» предсказал возможность манипуляций с атомами и молекулами по отдельности.
⚙️ Нанотехнологии в реальной жизни уже повсюду:
— В смартфонах и компьютерах — чипы с транзисторами размером менее 5 нм.
— В медицине — наночастицы помогают точно доставлять лекарства к раковым клеткам.
— В текстиле — нанопокрытия делают ткани водо- и грязеотталкивающими.
— В экологии — нанофильтры очищают воду и воздух с невероятной эффективностью.
🌐 Нанотехнологии и интернет
Без них не было бы сверхбыстрых процессоров, миниатюрных датчиков и компактных аккумуляторов — всего того, что сделало возможным мобильную революцию и IoT (интернет вещей).
✨ Нанотехнологии — это не просто наука о «маленьком». Это ключ к новым энергетическим источникам, новым материалам и способам лечения болезней, которые ещё недавно казались фантастикой.
♻️ Кто знает, может именно нанотехнологии помогут создать лекарство от всех болезней и изобрести телепорт)
⸻
❓ А какое изобретение/устройство из футуристического будущего вам бы хотелось получить уже сейчас?)
===================================== 👇👇Наш канал на других площадках👇👇 YouTube | VkVideo | Telegram | Pikabu =====================================
Катодолюминесцентное гиперспектральное отображение рисунка с надписью "Ли" (вверху слева); Хэ Ен Ли и Ифэн Лю (внизу слева) и отображение на экране.
Исследователи из Университета Райса использовали сфокусированный электронный луч для создания узоров с субмикронной точностью в ультратонком кристалле оксида молибдена. Эти узоры светятся ярко-синим светом и проводят электричество, что демонстрирует возможность их применения для компактной проводки и встроенных источников света на кристалле.
По словам доцента Хэ Ен Ли, электронный луч действует как наноразмерный карандаш, позволяя рисовать источники света и провода с точностью, недоступной традиционным методам, таким как литография. Оксид молибдена состоит из ультратонких слоёв, связанных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что делает материал легко настраиваемым для новых устройств.
Учёные предположили, что электроны высокой энергии выбивают атомы кислорода из кристаллической решётки, образуя кислородные дефекты. Эти дефекты усиливают свечение и повышают проводимость материала. В местах воздействия электронного луча интенсивность синего излучения значительно возрастала и сохранялась, а проводимость увеличивалась в сотни раз, формируя встроенные провода шириной всего несколько сотен нанометров.
Для экспериментов использовалась система катодолюминесцентной спектроскопии, которая позволила одновременно создавать дефекты и отслеживать излучение в реальном времени. Дополнительные методы подтвердили наличие кислородных дефектов.
Главным достижением работы является одновременное создание оптических и электрических свойств в одном материале с высокой точностью, без необходимости отдельных этапов для оптики и электроники. Исследователи отмечают, что метод может быть применён и к другим ван-дер-ваальсовым оксидам, открывая новые возможности для разработки оптоэлектронных устройств следующего поколения.
Квантовые точки, синтезированные в ходе этого исследования, светятся ярко-красным в ультрафиолетовом свете, демонстрируя свою непревзойденную фотолюминесценцию.
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.
Исследователи Empa достигли атомной точности в синтезе молекулярных структур, что подтверждается микроскопическими изображениями: сканирующая туннельная микроскопия (вверху) и бесконтактная атомно-силовая микроскопия (внизу).
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.
Продемонстрирован перестраиваемый емкостной метаматериал, используемый в качестве терагерцового амплитудного модулятора.
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.
Додекагональные квазипериодические структуры изоретикулярных Zr-MOF.
Когда две сетчатые структуры или ткани накладываются друг на друга с небольшим смещением, возникают муаровые узоры, вызванные интерференцией из-за несоосности сеток. Хотя в повседневной жизни такие узоры воспринимаются как оптические иллюзии, их значение простирается и на наноуровень, например, в материалах, таких как графен, где они могут существенно влиять на электронные свойства.
Это явление открывает новые возможности в таких областях, как сверхпроводимость и квантовые эффекты. Однако традиционно контролировать длины муаровых узоров было сложно из-за фиксированной природы атомных структур, что ограничивало возможность точной настройки электронных свойств.
Исследовательская группа под руководством профессора Вонена Чо из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее впервые продемонстрировала возможность точного контроля периодов муара путем наложения слоев металлоорганических каркасов (MOF) — кристаллических материалов, состоящих из металлических кластеров, связанных органическими молекулами.
Опубликованное сегодня в журнале Nature Communications, это исследование представляет собой химически программируемую платформу для создания муаровых систем с настраиваемыми масштабами длины, открывая новые горизонты в области твистроники, фотоники и квантовой информатики.
Изменяя длину органических линкеров в двумерных (2D) MOF-материалах на основе циркония и укладывая эти слои под различными углами скручивания, команда смогла точно модулировать периодичность муара, зависящую от длины лиганда. Моделирование молекулярной динамики, проведенное профессором Джиханом Кимом из Корейского передового института науки и технологий (KAIST), подтвердило энергетическую стабильность двухслойных MOF и выявило предпочтительные конфигурации укладки, согласующиеся с экспериментальными наблюдениями.
Квазипериодические структуры размером 1/1 десятиугольника и восьмиугольника демонстрируются в скрученных двухслойных MOF с топологиями hxl и kgd (угол скручивания 30°) и sql, sql-b (угол скручивания 45°). Смотрите дополнительные рисунки 23, 24.
Особенно примечательным открытием стало появление додекагональных квазипериодических структур с углом поворота 30°, демонстрирующих 12-кратную симметрию вращения. Эти сложные структуры, визуализируемые с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ) и моделируемые с использованием метода Стампфли-тайлинга, являются квазипериодическими и могут тонко влиять на поведение электронов.
Аспирант и первый автор исследования, Джиен Ким, отметила: "Квазипериодические структуры без повторяющихся элементов могут вносить тонкие изменения в поведение электронов. Это открывает новые возможности для точной настройки электронных и оптических свойств муаровых материалов".
Профессор Вонен Чо подчеркнул: "MOF служат настраиваемыми молекулярными каркасами — эффективным механизмом регулировки расстояния между решеткамиб и эта платформа ускорит разработку твистронных и квантовых устройств следующего поколения".
В скользящих сегнетоэлектриках скорость движения доменных стенок аномально растет при понижении температуры, что указывает на уникальный механизм переключения поляризации с низкой диссипацией и сверхтекучей структурой доменных границ.
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.
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.
![🗓 09.10 — Всемирный день нанотехнологий [вехи_истории]](https://cs17.pikabu.ru/s/2025/10/07/22/xefvlwin.jpg)
