Слева показана волновая функция магнитного состояния, проникающая через графен к железу, куда туннелируют электроны из магнитного зонда. Справа — два микроскопических изображения: контраст укладки слоев и карта локальной спиновой поляризации.
Учёные из Мюнстерского университета в Германии разработали новый способ изучения свойств материалов на атомном уровне с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Обычно этот метод позволяет рассматривать только самый верхний слой материала, но теперь исследователи смогли увидеть и свойства, скрытые под поверхностью.
Команда под руководством профессора Аники Шленхофф и доктора Мацей Базарника изучала тонкий слой железа, покрытый слоем графена — очень тонкой плёнкой из углерода. Они использовали особый вариант СТМ, который позволяет «заглянуть» глубже, благодаря изучению электронных состояний, находящихся не только на поверхности, но и чуть выше неё.
Эти электронные состояния, взаимодействуя с железом под графеном, сами приобретают магнитные свойства. Благодаря этому учёные смогли увидеть, как ведёт себя магнитный слой железа под графеном, а также изучить структуру и расположение атомов в обоих слоях с очень высокой точностью — вплоть до масштаба отдельных атомов.
Кроме того, новый метод помог понять, как именно атомы углерода в графене расположены относительно атомов железа под ним. Оказалось, что их положение меняется в зависимости от того, как слои уложены друг на друга. Раньше такие различия было невозможно увидеть обычной микроскопией.
Таким образом, новая техника позволяет одновременно исследовать и верхний слой материала, и скрытые под ним слои, раскрывая их структурные, электронные и магнитные свойства. Это открывает новые возможности для изучения сложных многослойных материалов и их взаимодействий.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, раскрывает роль динамических нанодоменов в перовскитах на основе галогенида свинца — материалов, перспективных для солнечных элементов. Исследователи из Департамента химической инженерии и биотехнологии (CEB) показали, что поведение этих микроскопических структур влияет на эффективность и стабильность перовскитовых солнечных элементов.
Работа проводилась под руководством Милоша Дубаджича и профессора Сэма Стрэнкса в сотрудничестве с Имперским колледжем Лондона, UNSW, Университетом штата Колорадо, ANSTO и синхротронными центрами Австралии, Великобритании и Германии.
Понимание динамики нанодоменов позволит точнее настраивать свойства перовскитов, повышая производительность и долговечность солнечных элементов. Ранее изменчивость этих структур оставалась недостаточно изученной, а теперь открываются возможности для полного раскрытия потенциала перовскитов.
Милош Дубаджич отметил: «Управляя поведением нанодоменов, мы можем улучшить работу солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств, расширяя границы эффективности преобразования энергии». Профессор Сэм Стрэнкс добавил: «Раскрывая секреты этих нанодоменов, мы ускоряем развитие перовскитовых солнечных технологий и делаем их более жизнеспособным решением для перехода к возобновляемым источникам энергии».
Исследование является частью более широкой работы по созданию эффективных и устойчивых энергетических решений с помощью материаловедения, направленных на решение глобальных задач в области возобновляемой энергии.
Одноатомные катализаторы (SAC, от англ. single-atom catalysts) — это материалы, в которых отдельные атомы металла равномерно распределены на поверхности подложки. Благодаря своей структуре они обладают рядом преимуществ: высокой селективностью (способностью избирательно ускорять нужные химические реакции), регулируемой реактивностью и относительно низкой стоимостью. Эти свойства делают SAC особенно перспективными для применения в таких областях, как топливные элементы, электролиз воды и другие процессы преобразования энергии.
Проблема агрегации и ограниченной загрузки.
Несмотря на свои достоинства, SAC имеют важное ограничение: при увеличении количества атомов металла на подложке они склонны к агрегации — объединению в кластеры. Это приводит к потере уникальных свойств одноатомных катализаторов и снижению их эффективности. Кроме того, большинство традиционных подложек не способны удерживать большое количество отдельных атомов, что ограничивает каталитическую активность материала.
Решение от сингапурских учёных: MoS₂ и десульфурация.
Группа исследователей из Национального университета Сингапура предложила инновационное решение этой проблемы. Они использовали двумерный материал — дисульфид молибдена (MoS₂) в его металлической фазе 1T' — в качестве подложки для SAC. С помощью метода электрохимической десульфурации (удаления атомов серы под действием электрического тока) они создали на поверхности MoS₂ множество вакансий — пустых мест, куда могут "встраиваться" атомы металла.
Эти вакансии не только позволяют разместить большее количество атомов, но и предотвращают их агрегацию, стабилизируя их в виде отдельных частиц. Более того, при определённых условиях соседние атомы могут взаимодействовать, образуя двухатомные катализаторы (DAC) — пары атомов, которые работают синергетически и могут быть ещё более эффективными, чем одиночные атомы.
Управляемый переход между SAC и DAC
Одним из ключевых достижений работы стало то, что исследователи смогли управлять переходом между SAC и DAC с помощью электрического поля. Это означает, что можно "включать" и "выключать" взаимодействие между атомами, создавая катализаторы по требованию. Такой подход открывает путь к созданию динамически настраиваемых катализаторов, способных адаптироваться к условиям реакции.
Методы исследования и подтверждение результатов.
Для изучения структуры и поведения катализаторов учёные использовали:
• Рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS) — для анализа координационной среды атомов металла;
• Сканирующую просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения — для визуализации отдельных атомов на поверхности MoS₂;
• Синхротронное излучение — для проведения точных измерений в режиме *operando* (в реальном времени, в процессе реакции).
Выводы и перспективы!
Работа сингапурских учёных демонстрирует новый подход к созданию высокоэффективных катализаторов, способных работать в условиях высокой плотности активных центров без потери активности. Возможность управлять состоянием катализатора с помощью электрического поля делает такие материалы особенно ценными для будущих энергетических технологий, включая водородную энергетику, электрохимические преобразования и устойчивое производство топлива.
В дальнейшем команда планирует сследовать другие комбинации металлов, которые могут образовывать DAC и демонстрировать уникальные каталитические свойства.
Топография АСМ и совместно локализованный оптический отклик частично интеркалированного MoS2 на графене, измеренные с помощью PiFM.
Вы когда-нибудь задумывались, как же ученые «заглядывают» внутрь материала толщиной в один атом? Нет, не с помощью какой-то магической атомарной линзы — ведь такие приборы, как сканирующая туннельная микроскопия, стоят дороже вашей квартиры и требуют условий из страшных научно-фантастических фильмов: ультравысокого вакуума и температуры, близкой к абсолютному нулю. Но давайте сделаем на секунду уступку здравому смыслу и представим, что можно обойтись без этих «атавистичных» дорогостоящих гаджетов. Звучит как выигрыш в лотерее, правда?
И вот команда исследователей из Института физики в Загребе, Хорватия, вместе с международными союзниками, показали, что это реально! Разрешите представить новый супергерой — передовую атомно-силовую микроскопию (АСМ), которая обычно у нас ассоциируется с чем-то вроде «гляжу на поверхность и трогаю ее иголочкой». Но ребята из Загреба доказали, что и эта «иголочка» может работать на атомном уровне, если использовать её с умом и в нескольких продвинутых режимах.
И самое главное — они смогли «увидеть» интеркаляцию, то есть проникновение атомов в пространство между слоями ультратонких материалов, таких как графен и MoS2 (кто еще не знаком с этими красавцами из мира 2D-материалов — настоятельно рекомендую познакомиться). Раньше, чтобы узнать, что же там происходит, приходилось звать на помощь специализированные сенсоры и космические приборы, теперь же — пожалуйста, АСМ, несколько хитрых режимов и вуаля — атомы поддаются визуализации!
Да еще и на образцах, которые, внимание, просто лежали на воздухе, а не в стерильных условиях научной фобии. Как говорит Кармен Капустич, соавтор: «Наш метод — это почти как взять микроскоп и сказать: «Покажи-ка, что там на самой обычной поверхности». Без всяких «галактических» условий».
Зачем нам всё это? Дело в том, что такие процессы, как интеркаляция, помогают настраивать свойства материалов — их электропроводность, гибкость, оптические эффекты — то есть, практически, делать из них новых героев будущих технологий: от гибкой электроники до квантовых компьютеров. И чем лучше мы их понимаем, тем быстрее двигаемся к мечтам про телефоны, которые не ломаются, и компьютеры, что читают мысли (ну, почти).
Как метко сказал д-р Дж. Ива Шрут Ракич, «не всегда нужно иметь сверхточный инструмент, чтобы понять сверхтонкие вещи». Главное — в творческом подходе и умении читать «между строк» — или в нашем случае — между атомными слоями.
Так что, друзья, наука не стоит на месте и доказывает: иногда секрет настоящей сверхточности — это не сверхоборудование, а умение видеть детали там, где другие ищут сложности. Кто знает, возможно, скоро и ваш старенький атомно-силовой микроскоп удивит мир новыми открытиями! А пока — будем следить за новостями из Загреба и мечтать о гаджетах из будущего, которые соединили бы в себе точность и доступность.
Вот так, с юмором и гвоздями науки в руках, мы приближаемся к разгадке тайны самых тонких материалов Вселенной.
Статья взята с сайта: Топография АСМ и совместно локализованный оптический отклик частично интеркалированного MoS2 на графене, измеренные с помощью PiFM.
Осаждение бора на поверхности Cu(111) и измерения FER.
Более десяти лет назад исследователи из Университета Райса, возглавляемые Борисом Якобсоном, ученым-материаловедом, сделали смелое предсказание о том, что атомы бора будут слишком сильно связываться с медью, что помешает образованию борофена — гибкого металлического двумерного материала, обладающего огромным потенциалом в таких областях, как электроника, энергетика и каталитические процессы. Недавние исследования подтвердили это предсказание, однако результаты оказались неожиданными.
В отличие от систем, таких как графен на меди, где атомы могут свободно перемещаться в подложке и не образуют четкого сплава, в данном случае атомы бора сформировали определенный двумерный борид меди — новое соединение с уникальной атомной структурой. Это открытие, опубликованное в журнале Science Advances исследователями из Университета Райса и Северо-Западного университета, открывает новые горизонты для изучения относительно неосвоенного класса двумерных материалов, которые могут иметь значительное влияние на развитие технологий.
«Борофен всё ещё находится на грани существования, и каждая новая информация о нём важна, поскольку она расширяет наши знания в области материаловедения, физики и электроники», — отметил Якобсон, который является профессором инженерии, материаловедения и химии в Университете Райса. Он добавил: «Наш первый теоретический анализ предупреждал, что на меди бор будет связываться слишком сильно. Теперь, более чем через десять лет, оказывается, что мы были правы — и результатом стал не борофен, а нечто совершенно иное».
В предыдущих исследованиях борофен успешно синтезировался на металлах, таких как серебро и золото, однако медь оставалась открытым и спорным случаем. Некоторые эксперименты предполагали, что бор может образовать полиморфный борофен на меди, в то время как другие указывали на возможность фазового разделения на бориды или даже нуклеации в объёмные кристаллы. Для разрешения этих вопросов потребовалось уникально детальное исследование, которое сочетало в себе высокоразрешающую визуализацию, спектроскопию и теоретическое моделирование.
«То, что мои коллеги-экспериментаторы впервые увидели, было богатым набором изображений с атомным разрешением и спектроскопическими сигнатурами, которые потребовали значительных усилий по интерпретации», — сказал Якобсон. Эти исследования выявили периодическую зигзагообразную структуру и четкие электронные подписи, которые значительно отличались от известных борофеновых фаз. Сильное соответствие между экспериментальными данными и теоретическими моделями помогло разрешить спор о природе материала, который образуется на границе между медной подложкой и средой, близкой к вакууму в камере для выращивания.
Хотя борид меди не был целью исследования, его открытие предоставляет важные сведения о взаимодействии бора с различными металлическими подложками в двумерных средах. Эта работа расширяет знания о формировании атомно-тонких металлических боридов — области, которая может стать основой для будущих исследований связанных соединений, включая те, которые имеют известное технологическое значение, такие как металлические бориды, используемые в керамике, способной выдерживать ультравысокие температуры, что представляет большой интерес для применения в экстремальных условиях и гиперзвуковых системах.
«Двумерный борид меди, вероятно, является лишь одним из множества двумерных металлических боридов, которые могут быть экспериментально реализованы. Мы с нетерпением ждем возможности исследовать эту новую семью двумерных материалов, которые имеют широкий потенциал применения в таких областях, как электрохимическое хранение энергии и квантовые информационные технологии», — добавил Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии Северо-Западного университета и соавтор исследования.
Израильская компания разработала промышленные добавки на основе наноматериалов, которые позволяют создавать легкие и экологичные материалы, что делает их идеальным компонентом для улучшения свойств пластмасс, используемых в самолетах, поездах и даже автомобилях.
(Courtesy)
Запатентованные добавки, разработанные компанией Nemo Nanomaterials из Петах-Тиквы , могут производиться серийно и дополнять широкий спектр деталей. Добавки созданы на основе одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ).
Название компании происходит от концепции «Нано-улучшенный материал будущего», которую основатели сократили до «Немо», а также думают о капитане Немо и его путешествиях, в которых фантастические идеи стали реальностью.
Вице-президент по развитию бизнеса Джонатан Антеби говорит, что он и соучредитель и генеральный директор Александр Зиниград начали разработку добавок на основе УНТ после того, как осознали потенциал существующих наноматериалов для улучшения различных видов пластмасс и других промышленных материалов.
NemoBLEND – мастербатчи (концентрированные смеси) для промышленности пластмасс (Фото предоставлено)
И вот в 2018 году Антеби, ветеран индустрии пластмасс, и Зиниград, эксперт в области трансфера и коммерциализации технологий, начали работу над разработкой масштабируемой технологии производства добавок на основе УНТ. Научно-исследовательскую деятельность компании возглавляет доктор Илана Хаймов, опытный исследователь в области наноматериалов, которая присоединилась к компании с первого дня ее существования.
«Мы создали Nemo, чтобы воплотить обещания в области наноуглеродов в промышленную реальность», — рассказал Антеби NoCamels.
Они придумали продукт под названием NemoBLEND – мастербатчи (концентрированные смеси) для индустрии пластмасс.
По словам Антеби, NemoBLEND можно использовать в двух различных типах промышленных решений.
Во-первых, это электропроводность, поскольку, несмотря на то, что металл не обладает прочностью в качестве проводника, добавки по-прежнему остаются мощными. Их можно использовать при низком уровне электричества, в первую очередь для устранения необходимости использования металлического слоя в качестве проводника во многих изделиях.
Второе — электромагнитные помехи. Добавки встраивают в различные типы пластиков, чтобы предотвратить нарушение нормальной работы электронных устройств, которое обычно вызывается электромагнитными сигналами.
К таким устройствам относятся чувствительные продукты, такие как радиолокационные системы или электронные датчики, которые особенно уязвимы к этим сигналам.
Присадки Nemo могут использоваться производителями как электромобилей, так и топливных автомобилей, самолетов и локомотивов
«Мы обеспечиваем защиту от электромагнитных помех (предотвращение электромагнитных помех в пластике), а также проводимость, а также способность иметь дополнительные свойства, такие как огнестойкость, и при этом сохранять механические свойства», — говорит Антеби.
И хотя большинство электропроводящих изделий из пластика доступны только в черном цвете, NanoBLEND позволяет клиентам Nemo производить проводящие цветные изделия.
Nemo совместно выиграла недавнюю премию Climate Solution Prize в категории стартапов , разделив награду в размере 1,3 миллиона долларов с шестью другими молодыми израильскими компаниями в рамках инициативы по поощрению инноваций в этой области.
Конкурс назвал Nemo «изменителем правил игры» в области воздействия производства на окружающую среду, в частности, в отношении металлообработки.
«NemoBLEND чрезвычайно универсален и может использоваться при производстве практически любых изделий, включающих пластик», — объясняет Антеби. По его словам, присадки Nemo могут использоваться производителями как электрических, так и топливных автомобилей, электронных товаров, медицинского оборудования, самолетов и локомотивов.
Александр Зиниград (слева) и Джонатан Антеби (справа) (Courtesy)
Кроме того, по его словам, добавки Nemo экономически эффективны для производителей, поскольку они уменьшают количество необходимого пластика и снижают цены на продукцию. Их также легко хранить и сохранять целостность до тех пор, пока они не понадобятся.
Стартап получил финансирование от Управления инноваций Израиля (правительственного ведомства, занимающегося продвижением сектора высоких технологий страны), а также от частных инвесторов. Компания также начала продавать добавки в США и Европе.
Антеби видит будущее компании, в котором NemoBLEND будет использоваться во всех отраслях, становясь постоянным компонентом для многих производителей, и благодарит своих коллег за то, что они превратили мечту в устойчивую реальность.
«Команда экспертов – инженеров, специалистов по механическим пластмассам и химии – позволила нам взять идею и превратить ее в действующую и работающую технологию», – говорит он.
В последнее время в мире широко применяется новый вид углеродного материала – графен. Это самый легкий, прочный и тонкий из всех известных материалов, он обладает высокой гибкостью, тепло- и электропроводностью. Благодаря таким свойствам графен способен заменить многие существующие материалы в промышленности, например, он перспективен для производства элементов для автомобилей, самолетов и космических кораблей. Однако пока не существует определенной технологии объемной печати изделий из графена. Но ученые ПНИПУ нашли способ создавать изделия 3D-печатью с использованием жидких углеводородов.
Статья опубликована в сборнике «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении», 2023 год. Исследование выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
В настоящее время такой уникальный наноматериал применяется в виде небольших изделий в медицине, оптике, электронике и строительстве. Однако используемые технологии не подходят для изготовления деталей в авиа и машиностроении. Для производства габаритных изделий с высокими эксплуатационными свойствами, таких как фюзеляжи и крылья самолета, необходимо использовать аддитивные технологии.
– Мы разработали технологию 3D-печати изделий из графена, которая заключается в нагревании места контакта двух графитовых деталей в жидком углеводороде (трансформаторное масло). Пропуская через них электрических ток, детали нагреваются до высокой температуры, и между ними образуется сварочная дуга. При этом происходит разложение трансформаторного масла на пары, которые улетучиваются, и углерод, который осаждается тонкими слоями. Так происходит послойное 3D-выращивание изделий из графена, – рассказывает аспирант кафедры «Инновационные технологии машиностроения» Пермского Политеха Владимир Блохин.
Политехники провели эксперимент и выявили зависимости влияния силы тока и времени горения дуги на массу образцов. Исследование показало, что увеличение входных параметров приводит к увеличению массы образца, повышает производительность процесса. При этом рост силы тока больше влияет на результат, чем время горения дуги.
– В отличие от аналогов, при изготовлении материала таким способом не нужно использовать связующее, что повышает физико-механические свойства изделий, такие как прочность, износостойкость, теплопроводность. Кроме того, технология не требует энергоемкой и дорогостоящей термической обработки, – объясняетруководитель проекта, доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» Пермского Политеха, кандидат технических наук Дмитрий Караваев.
Разработка ученых ПНИПУ вносит большой вклад в производство уникального по своим свойствам материала. Технология изготовления деталей из графена перспективна для создания ответственных элементов с высокими эксплуатационными свойствами. Качественные изделия способны заменить многие существующие элементы в аэрокосмической, автомобильной и энергетической промышленности на более прочные и легкие детали. Отечественное промышленное производство выходит на новый уровень.
Они прилетели, чтобы изучать нашу планету, но оказалось, что без защитной оболочки им тут не справиться. Но в ваших силах им помочь! Открывайте игру с тамагочи и сделайте электронного питомца счастливым. Это не так просто, как было в детстве. Если справитесь, получите награду в профиль.
