СМИ о нас
| 29.03.22 | 29.03.2022 Indicator. Физики выяснили, как сложные органические молекулы могут образовываться в космосе |
ФИАН
Полициклические ароматические углеводороды могут образовываться в результате радикально-радикальных реакций при экстремально низких температурах — в том числе в космическом пространстве, выяснили ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) вместе с коллегами из США. Это еще один аргумент в пользу гипотезы, что органические молекулы, необходимые для зарождения жизни, широко распространены во Вселенной, а значит живые организмы могут возникнуть во многих уголках космоса. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Nature Communications.
«Сто лет назад и даже меньше мы считали космос безжизненным, думали, что в космическом пространстве есть только атомы и простые молекулы: вода, углекислый газ, кремниевая или углеродная пыль. Все это находится в экстремальных условиях: жуткий холод и губительное космическое излучение или, наоборот, высокие температуры и давления в недрах Звезд и их окружениях. Казалось, что в таких условиях нет условий для появления сложных органических молекул, а жизнь может зародиться только в “тихой гавани”, в узкой зоне обитаемости, в которую попала Земля. Однако теперь мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений — первых “кирпичиков” органической жизни, которые способны дать старт развитию жизни во многих уголках там, где есть условия для его развития и поддержания», — говорит соавтор исследования доктор физико-математических наук Валерий Азязов, заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН.
Чтобы выяснить возможные пути появления органики в космосе, в ФИАНе на средства мегагранта Минобрнауки РФ был создан Центр лабораторной астрофизики под руководством профессора Гавайского университета в Маноа Ральфа Кайзера.
В числе задач центра был поиск путей синтеза полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — так называют класс соединений, в структуре которых есть спаянные бензольные кольца. Простейший ПАУ – бензол – содержит только одно такое кольцо.
Интерес к синтезу этих соединений первоначально был вызван тем, что ПАУ в большинстве являются канцерогенами, то есть провоцируют рак. Впервые на них обратили внимание из-за карциномы трубочистов, которую провоцировала сажа, представляющая собой смесь разнородных ПАУ.
В земных условиях ПАУ синтезируются при высокой температуре, например, при горении топлива в камерах сгорания двигателей или во время пожаров. Однако этих веществ много и в космосе: оценки показывают, что около 20 процентов углерода во Вселенной находится в составе ПАУ. Ученые обнаруживают их, анализируя спектры инфракрасного излучения от относительно холодных объектов — молекулярно-пылевых облаков и туманностей, где идут процессы звездообразования. Кроме того, ПАУ были обнаружены на комете Чурюмова-Герасименко с помощью космической станции «Розетта». Эти же соединения обнаруживают в составе метеоритов с большим содержанием углерода — хондритов.
Реакций образования ПАУ множество. Ученые шаг за шагом раскрывают реакционные пути их образования с использованием сложных квантово-механических моделей и проводят эксперименты в условиях максимально приближенных к условиям глубокого космоса. Радикально-радикальные реакции — это реакции с участием радикалов, которые образуются в результате разрыва химической связи молекул за счет высокой температуры, излучения, облучения и так далее. Например, при горении первичные радикалы образуются за счет высокой температуры.
В глубоком космосе же, наоборот, крайне низкие температуры. Поэтому ученые предполагают, что там радикалы образуются за счет воздействия галактических космических лучей. Высокоэнергетические частицы на пути своего распространения образуют во льду узкий след, в котором одномоментно зарождаются сотни и тысячи возбужденных молекул, атомов, ионов, осколки молекул и вторичные электроны. Все они начинают реагировать как между собой, так и с окружением, образуя различные продукты, в том числе сложные органические молекулы.
Ученые ФИАН со своими коллегами из США провели квантово-химические вычисления и эксперимент, в котором сталкивали между собой бензильные радикалы в лабораторных условиях. В продуктах реакций они выделили ПАУ, которые образовались в результате радикально-радикальной реакции.
«Число реакций, задействованных в образовании ПАУ, достаточно велико и сейчас изучена только незначительная часть из них — только самые простые. Реакция, которую мы изучили, интересна тем, что в ней участвуют два больших циклических бензильных радикала, в продуктах которых экспериментально обнаружено трициклическое соединение антрацен (C14H10). Ранее его образование не объяснялось другими механизмами реакций. В работе предложен новый, ранее неизвестный путь образования молекулы антрацена через динамику возбужденного состояния на триплетной поверхности посредством циклоприсоединения, который представляет собой фундаментальный сдвиг в современной парадигме синтеза многокольцевых структур в газовой фазе, расширяя наше понимание происхождения и эволюции углеродистого вещества во Вселенной», — рассказывает Валерий Азязов.
Химическая модель Вселенной далека от завершения. Имеющиеся базы по физико-химическим константам процессов в космосе требуют заполнения их детальными механизмами реакций. Над этим будет работать не одно поколение ученых, прежде чем мы будем достаточно точно объяснять и предсказывать химическую эволюцию Вселенной.
Автор: Николай Подорванюк
| 29.03.22 | 29.03.2022 ТАСС. Раскрыт механизм образования сложной органики в космосе |
Российские и американские физики раскрыли механизм, позволяющий сложным непредельным ароматическим углеводородам формироваться при почти полном отсутствии света и тепла в пустоте межзвездного пространства. Это свидетельствует в пользу гипотезы об образовании "кирпичиков жизни" в космосе, сообщила во вторник пресс-служба Физического института РАН (ФИАН).
"Сто лет назад мы считали космос безжизненным пространством и думали, что в нем есть только атомы и простые молекулы. Теперь мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений, первых "кирпичиков жизни", которые способны дать старт развитию жизни там, где есть подходящие для этого условия", - заявил заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН Валерий Азязов, чьи слова приводит пресс-служба института.
До недавнего времени астрономы предполагали, что органические соединения крайне редко встречаются в Галактике и во Вселенной в целом. Когда ученые впервые детально изучили "зародыши" звезд и облака межзвездного газа, они обнаружили, что это не так. Оказалось, что они содержат в себе огромные количества простейших углеводородов, спиртов, сахаров и аминокислот. Их следы были позже найдены даже в очень далеких от нас галактиках.
Азязов и его коллеги заинтересовались тем, как возникают в пустоте космоса сложные органические соединения из класса полициклических ароматических углеводородов. Их молекулы были обнаружены в материи кометы Чурюмова-Герасименко, а также в множестве холодных облаков газа, что заставило ученых задуматься о том, как могли формироваться эти вещества, синтезируемые на Земле при высоких температурах.
Формирование "кирпичиков жизни"
Свои усилия физики сосредоточили на молекулах антрацена, состоящих из 14 атомов углерода и десяти атомов водорода, объединенных в три соединенных друг с другом кольца. Как предполагают ученые, антрацен возникает в космосе в больших количествах в результате слияния двух молекул бензил-радикалов, состоящих из семи атомов углерода и водорода, однако точные механизмы их превращения в антрацен до настоящего времени были не известны ученым.
Российские и зарубежные физики детально просчитали поведение данных веществ на квантовом уровне и провели серию экспериментов с этими веществами. Это позволило им выделить сложную цепочку реакций с участием двух молекул бензил-радикала, которая приводит к появлению антрацена даже при низких температурах окружающей среды и при минимальном облучении участвующих в реакции молекул.
Подобные реакции, как отмечают Азязов и его коллеги, раньше не предсказывались и не изучались их коллегами-химиками, так как ученые не считали, что бензил-радикал может вступать во взаимодействия, которые приводят к реорганизации фактически всей его молекулы. Опыты и расчеты российских и зарубежных исследователей показали, что подобные реакции происходят на практике, что объясняет существование больших количеств антрацена в космосе.
Эти же реакции, как предполагают ученые, можно использовать и на Земле, для упрощения и удешевления производства различных органических химикатов на базе ароматических углеводородов, широко используемых при производстве красителей, пластмасс и других важных расходных материалов.
| 26.03.22 | 26.03.2022 Поиск. Реакция замещения. РАН мобилизует силы для создания новейшей медицинской техники |
Внеочередное заседание Научного совета РАН «Науки о жизни», посвященное вопросам импортозамещения в медицине в условиях санкций, вел председатель совета, вице-президент РАН Владимир Чехонин. Он не стал скрывать, что трансляция результатов фундаментальных исследований в инновационные медицинские технологии – тема, достаточно болезненная для российской науки: «Процесс трансляции идет не совсем в том направлении и не так активно, как бы этого хотелось». Площадка РАН, по его словам, сегодня является наиболее перспективной для консолидации представителей различных наук с целью создания платформы, способствующей активной и эффективной передаче достижений фундаментальной науки в практическую деятельность.
На заседание были приглашены ученые, клиницисты-практики, разработчики медицинской техники, представители бизнеса, руководители Департамента здравоохранения Правительства РФ, замминистра здравоохранения и другие. Самое активное участие в работе совета принял президент РАН Александр Сергеев.
“В последние две недели мы очень активно работаем с правительством, встречаемся с руководителями корпораций, – сообщил он, открывая заседание. – Понимание проблемы есть и у органов государственной власти, и у производителей. Крупные компании и корпорации берутся организовать производство достаточно быстро. Сегодня пойдет разговор о том, насколько готовы поддержать создание инновационных ретрансляционных цепочек ученые. Иными словами, что уже может быть предложено для внедрения в производство”.
Проект, связанный с созданием российского магнитно-резонансного томографа для высокоточной медицинской диагностики, представил доктор физико-математических наук заведующий криогенным отделом Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) РАН Евгений Демихов.
“Новый томограф позволяет не только разрешить проблему импортозамещения, но также обладает высоким импортным потенциалом, – отметил докладчик. – Все готово для начала работ по организации полномасштабного производства”.
Ученый рассказал, что созданный в ФИАН первый в России высокопольный сверхпроводящий МРТ с полем 1,5 Тл дает снимки с разрешением 0,5 мм («а при использовании некоторых компьютерных трюков можно добиться и 0,4 мм»), то есть позволяет диагностировать мельчайшие патологии. Технологии и программное обеспечение разработаны также в ФИАН. Идея была оригинальная для мировой науки – создать высокоэкономичный безгелиевый (безжидкостный) МРТ. Он на 30% дешевле существующих.
Что дальше? Требуется провести модернизацию технологии и опытных образцов («это процесс непрерывный, призванный сохранять их конкурентоспособность», пояснил докладчик). Чтобы производство было рентабельно, нужно производить в год 60 томографов. Целевой показатель – 100 штук. Срок выполнения работ по созданию полномасштабного коммерческого производства – 5 лет при инвестициях 4,5 миллиарда рублей. При этом будут созданы 200 высокотехнологичных рабочих мест. «На данный момент таких сотрудников у нас нет, – признал Евгений Демихов. – Вузы выпускают других специалистов, нам приходится их переучивать. Хотелось бы иметь более тесные контакты с университетами, которые целевым образом готовили бы специалистов под конкретное производство».
Комплектующие для российских МРТ – на 70% отечественного происхождения. Оставшиеся 30% готовы заполнить смежники, с которыми работают ученые, «Получить 100% российской комплектации на данный момент практически нереально, надо будет выкручиваться, но через два-три года целенаправленной работы в этом направлении можно будет приблизиться к этой цифре», – предполагает ученый.
Докладчик предложил ввести статус «работа государственной важности» для создания продуктов, подобных отечественному МРТ. Это облегчило бы и их разработку, и переход к производству. Еще одна проблема связана с необходимостью «грамотно передать права на разработку, опытные образцы, технологии и оборудование предприятию-производителю». В обсуждении Александр Сергеев высказал предположение, что наиболее эффективно было бы получить разрешение научным институтам на вхождение в совместные предприятия с промышленностью. «Это кардинально бы изменило ситуацию», – согласился ученый.
На заседании также была подробно рассмотрена тема производства приборов и комплексов для молекулярно-генетического анализа.
“Мы наблюдаем стремительный рост генетических исследований в мире, – отметил и. о. директора Института аналитического приборостроения (ИАП) РАН Анатолий Евстрапов. – На международном рынке генетических технологий Россия занимает только 1%, и в основном эти технологии ориентированы на внутренний рынок”.
Для понимания масштабов задачи докладчик привел таблицу, из которой следовало, что в целом в 2020 году были закуплены 88 секвенаторов (из них российских – 34), в 2021-м – 116 (из них 35 – российские). Секвенаторы третьего поколения сейчас производятся только в США и Великобритании.
С целью оперативной разработки и ускоренного внедрения новых приборов и комплексов для молекулярно-генетического анализа в серийное производство в 2020 году был создан консорциум «Российские генетические технологии», куда вошли ИАП РАН, научно-производственная фирма «Синтол» и Экспериментальный завод научного приборостроения в Черноголовке. В институте разрабатываются приборы и методы, «Синтол» выпускает реагенты и тест-системы, экспериментальный завод серийно производит приборы. Уже есть опытные образцы секвенатора второго поколения, консорциум готов к выполнению госзаказа на изготовление серии таких приборов. Сейчас ученые работают над одномолекулярным секвенатором третьего поколения. Однако для развития всех этих технологий необходимо государственное финансирование. Другие насущные нужды – привлечение новых квалифицированных молодых специалистов, развитие инфраструктуры института (сегодня часть площадей он арендует у других организаций), оснащение новым научным и технологическим оборудованием.
Разработки в области медицинской робототехники для хирургии представил ректор Московского государственного медико-стоматологического университета им. А.И. Евдокимова академик Олег Янушевич. Он рассказал о роботизации в стоматологии и нейрохирургии позвоночника, фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностике опухолей труднодоступных локализаций с использованием роботических и навигационных технологий. В заключение назвал три проблемных момента: «Это деньги – инвестиции государственные или частные, коллаборация между вузами и НИИ и ускорение сертификации, доведение результатов до практики». Владимир Чехонин попросил докладчика составить и прислать список технологий, которые наиболее остро испытывают сейчас трудности вследствие своей зависимости от импорта. Оказалось, такой список уже готов.
Тему роботохирургии продолжили другие выступающие. Заключительным стал доклад директора Федерального центра мозга и нейротехнологий профессора РАН Всеволода Белоусова, посвященный состоянию и перспективам развития технологий сфокусированного ультразвука в медицине.
“Мы рассмотрели только четыре направления, и по всем из них увидели серьезный задел, на уровне, востребованном рынком, – заключил Александр Сергеев. – Более того, у наших институтов есть решения, позволяющие заглядывать в завтрашний и даже в послезавтрашний. Очень хорошо, что создатели разработок не только говорят об импортозамещении, но и готовы выйти на международные рынки”.
Подчеркнув, что многие выступавшие затрагивали важную проблему подготовки кадров, президент РАН предложил поставить перед Минобрнауки вопрос о поддержке инженерных школ в области современной медицинской техники. И пообещал, что подобные обсуждения будут продолжены.
Наталия Булгакова
| 24.03.22 | 24.03.2022 Научная Россия. 131 год со дня рождения С.И. Вавилова |
24 марта 1891 г. родился Сергей Иванович Вавилов – физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, первый директор ФИАН, академик, президент АН СССР, общественный деятель и популяризатор науки. Был награжден двумя орденами Ленина (1943, 1945), орденом Трудового Красного Знамени (1939), четырежды лауреат Сталинской премии (1943, 1946, 1951, 1952 – посмертно). Дважды был номинирован на Нобелевскую премию (в 1957 и 1958 годах).
Еще первокурсником С.И. Вавилов стал завсегдатаем лабораторий Физического института. Со 2-го курса он приступил к самостоятельной исследовательской работе. События 1910–1911 гг. послужили причиной тому, что С.И. Вавилов перенес исследовательскую работу из университетских лабораторий в частную лабораторию – «лебедевский подвал» дома №20 по Мертвому переулку, а также в лабораторию городского Народного университета А.Л. Шанявского, тоже возглавляемую П.Н. Лебедевым, при ближайшем участии П.П. Лазарева. Научная школа П.Н. Лебедева сыграла решающую роль в становлении ученого. Из этой же лаборатории вышли первые печатные работы С.И. Вавилова, посвященные фотометрии, – «Фотометрия разноцветных источников» и «К кинетике термического выцветания красок».
Окончив университет в 1914 году по специальности «физика» с дипломом первой степени, Сергей Вавилов получил предложение остаться при университете для подготовки к профессорскому званию, однако выпускник отклонил его.
Позднее он писал: «… В знак протеста против новых университетских порядков я и некоторые мои товарищи отказались по окончании университета в 1914 г. остаться при кафедре, т. е., по современной терминологии, сделаться аспирантами. По тогдашним законам это значило, что после окончания университета необходимо было поступать на военную службу».
В июле 1914 года Вавилов поступил вольноопределяющимся в 25-й саперный батальон Московского военного округа.
Запись в дневнике от 28 июля 1914 г.: «Завтра ровно месяц, как началось для меня совершенно новое, неожиданное и трагическое, о чем я никогда не думал. Я не только солдат, но я иду на войну – в том, в сущности, и все, но как тут много. Начну с того, что перед отъездом я это предчувствовал. Сбросил штиблеты, надел сапоги, было тяжело расстаться с книгами и физикой. Впрочем, в моем чемодане Казанова, фотохимия».
На протяжении Первой мировой войны Сергей Иванович служил вначале рядовым, затем прапорщиком в различных технических частях российской армии. На фронте закончил экспериментально-теоретическую работу «Частота колебаний нагруженной антенны». Демобилизовался в феврале 1918 года.
Научные интересы С.И. Вавилова с самого начала его исследований были связаны с изучением оптических явлений, эффектов взаимодействия света с веществом. Он сам говорил о своей работе то ли в шутку, то ли всерьез: «Свет – мое призвание».
В 1926 г. С.И. Вавилов совместно с В.Л. Левшиным впервые наблюдал отступление от закона Бугера – уменьшение поглощения света в урановом стекле, связанное с большим избытком в среде возбужденных молекул. В 1950 году Вавилов ввел термин «нелинейная оптика» для описания физических явлений при больших интенсивностях света. Много позднее академик Р.В. Хохлов писал: «Хорошо известно, что С.И. Вавилов – родоначальник нелинейной оптики. Его работа в этой области началась задолго до создания лазеров».
Основной темой исследований С.И. Вавилова, верность которой он сохранил на всю жизнь, была люминесценция. Вавилов и созданная им научная школа внесли выдающийся вклад в изучение явления люминесценции и развитие его применений.
В работах Вавилова 1924 г. было впервые доказано, что поглощаемая в люминофорах энергия может эффективно преобразовываться в энергию света. Энергетический выход свечения для некоторых растворов (флуоресцеин и др.) по измерениям Вавилова достигал 80%, что резко противоречило имеющимся ранее данным, свидетельствующим о малой эффективности люминесценции.
Вавилов впервые ввел понятие «квантового выхода», т.е. отношение числа излученных и поглощенных квантов при люминесценции. В ходе экспериментов он установил, что квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света (закон С.И. Вавилова).
Вместе со своим аспирантом Павлом Черенковым в 1934 году открыл эффект Вавилова - Черенкова, за что последний уже после смерти Вавилова был удостоен Нобелевской премии в 1958 году.
П.А. Черенков позднее напишет: «Это открытие могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С.И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии различения люминесценции от других видов излучения. Неслучайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию».
Вавилов придавал очень большое значение практическому использованию явления люминесценции. В 1940 году по инициативе Вавилова начались исследования, направленные на создание новых для того времени источников света: люминесцентных ламп. Под его руководством работы продолжились в трех научных организациях: в Физическом институте имени П.Н. Лебедева, Всесоюзном электротехническом институте и Московском электроламповом заводе.
Незадолго до начала войны, 30 мая 1941 года, на Общем собрании Академии наук СССР Сергей Иванович сделал доклад «Люминесцентные источники света», сопроводив его демонстрацией первых образцов люминесцентных ламп. В послевоенные годы при самом активном участии Вавилова началось их широкое промышленное производство.
В 1934 году было принято решение о создании полномасштабного физического института. Новый институт получил название «Физический институт АН СССР» (ФИАН). Вавилов был назначен его директором. Идея создания в Москве современного физического института была высказана еще в 1911 г. известным русским физиком П.Н. Лебедевым, у которого С.И. Вавилов учился в Московском университете. Именно по этой причине С.И. Вавилов в память о своем учителе ходатайствовал о присвоении ФИАНу имени П.Н. Лебедева.
На посту директора ФИАН С.И. Вавилов оставался до конца своей жизни (январь 1951 г.). Вавилов создал этот институт практически с нуля. С самого начала С.И. Вавилов решил придать новому институту «полифизический» характер, т.е. развивать в нем все наиболее значимые направления исследований в современной физике. Вавилов стремился пригласить в ФИАН специалистов самого высокого уровня, ученых, либо получивших образование в европейских университетах, либо имевших длительные стажировки в европейских лабораториях. Представление о ключевых фигурах первичного научного состава ФИАН может дать список фамилий: Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, Г.С. Ландсберг, И.Е. Тамм, Д.В. Скобельцын, В.А. Фок, М.А. Леонтович. С участием приглашенных физиков были сформированы и первые лаборатории ФИАН: оптики (Г.С. Ландсберг), люминесценции (С.И. Вавилов), теории колебаний (Н.Д. Папалекси), атомного ядра и космических лучей (вначале С.И. Вавилов, позднее Д.В. Скобельцын), теоретический отдел (И.Е. Тамм).
Одной из важных задач в своей работе С.И. Вавилов всегда считал популяризаторскую деятельность. Эту работу он продолжал до конца своих дней в течение почти 40 лет, несмотря на все возрастающий груз своих многочисленных организационных и прочих обязанностей. Итог трудов поистине впечатляющий. Ученый является автором более 150 научно-популярных статей и книг. Он использовал все возможности для расширения пропаганды научных и общекультурных знаний в широких слоях населения и стремился привлечь к решению этой задачи большее число людей. Эти возможности увеличились, когда в 1945 году С.И. Вавилов был избран президентом Академии наук СССР. В 1947 г. по предложению группы деятелей науки, литературы и искусства во главе с С.И. Вавиловым было создано Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний (с 1963 г. – Общество «Знание»). Первым председателем правления Общества стал Вавилов. В 1949 году Сергей Иванович занял пост главного редактора второго издания Большой Советской энциклопедии.
Источник информации и фото: отдел по связям с общественностью ФИАН
Разместила Ирина Усик
https://scientificrussia.ru/articles/131-god-so-dna-rozdenia-si-vavilova
| 23.03.22 | 23.03.2022 Научная Россия. Загадка зарядового радиуса протона. Лекция чл.-корр. РАН Николая Колачевского |
Николай Николаевич Колачевский
Загадка зарядового радиуса протона ─ одна из важных проблем физики последнего десятилетия, вызывающая споры как среди экспериментаторов, так и среди теоретиков, которые занимаются расчетами квантовой электродинамики. В чем же дело? Неужели в многочисленные эксперименты ученых по измерению радиуса протона закралась какая-то ошибка... или не точна сама квантовая электродинамика?
Член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Николай Колачевский рассказывает о различных методах, позволяющих измерить зарядовый радиус протона, анализирует возникновение самой загадки и делится результатами последних экспериментов, нацеленных на ее разрешение.
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
- К.Ю. Хабарова, Н.Н. Колачевский. Зарядовый радиус протона. Журнал "Успехи физических наук", 2021 г.
- Интервью Н.Н. Колачевского для портала "Научная Россия"
- Протон меньше, чем мы думали. Совместная группа ученых ФИАНа и немецкого Института квантовой оптики общества Макса Планка (MPQ) провела эксперимент, в ходе которого было определено новое значение радиуса протона
Автор Янина Хужина
Фотограф Елена Либрик
Оператор Алексей Корноухов
| 23.03.22 | 23.03.2022 Открытая Дубна. Свойства углеродной нанотрубки научились изучать с помощью туннельного контакта |
Российские физики предложили технологию изготовления туннельного контакта для изучения ключевой характеристики углеродной нанотрубки – основы современной микроэлектроники.
Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они активно исследуются в последние три десятилетия и могут применяться в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других.
Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена. Уникальность свойств углеродных нанотрубок связана с тем, что от того, каким конкретно образом этот лист был свернут в трубку, зависит ширина запрещенной зоны, которая определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки. Можно провести следующую аналогию: представьте себе обычный лист бумаги — его можно легко свернуть в трубку, соединяя либо две противоположные стороны, либо два противоположных угла, или же можно соединить угол с любой точкой на противоположной стороне. Свойства листа бумаги никак не зависят от того, каким конкретно образом его свернули в трубку. Если теперь мы заменим лист бумаги на маленький кусочек графена, то окажется, что в зависимости от того, каким именно способом мы свернули графен в трубку, он будет вести себя либо как полупроводник, либо как металл с точки зрения проводимости. Такое поведение делает углеродные нанотрубки очень привлекательным материалом для создания всевозможных электронных устройств.
Ширина запрещенной зоны — это основная характеристика полупроводников, которая в первую очередь обусловливает возможности их применения. На данном этапе развития технологий пока не придуман хороший способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. Этот метод имеет ряд недостатков, он неточный, дорогой и нетехнологичный.
Рисунок. (а) электронная микрофотография углеродной нанотрубки с туннельными контактами; (b) схема бокового разреза туннельного контакта. Источник: Applied Physics Letters
В опубликованной работе ученые предложили технологичный (то есть хорошо совместимый с современными технологиями изготовления электронных устройств) и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого исследователи изготовили туннельный контакт (рисунок (а)). Туннельный контакт — это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта не напрямую связан с трубкой, а через тонкий слой диэлектрика (рисунок (b)).
«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. Классическая частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика позволяет электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.
Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов (рисунок (а)). Ученые сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней туннельные и омические контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.
«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Образцы были изготовлены сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена в проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и в ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем».
Результаты работы представлены в журнале Applied Physics Letters.
Татьяна Небольсина
| 21.03.22 | 21.03.2022 Поиск. Туннельный контакт помог изучить электронную структуру углеродных нанотрубок |
Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы были представлены в журнале Applied Physics Letters.
Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они активно исследуются в последние три десятилетия и могут применяться в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других.
Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена. Уникальность свойств углеродных нанотрубок связана с тем, что от того, каким конкретно образом этот лист был свернут в трубку, зависит ширина запрещенной зоны, которая определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки. Можно провести следующую аналогию: представьте себе обычный лист бумаги — его можно легко свернуть в трубку, соединяя либо две противоположные стороны, либо два противоположных угла, или же можно соединить угол с любой точкой на противоположной стороне. Свойства листа бумаги никак не зависят от того, каким конкретно образом его свернули в трубку. Если теперь мы заменим лист бумаги на маленький кусочек графена, то окажется, что в зависимости от того, каким именно способом мы свернули графен в трубку, он будет вести себя либо как полупроводник, либо как металл с точки зрения проводимости. Такое поведение делает углеродные нанотрубки очень привлекательным материалом для создания всевозможных электронных устройств.
Ширина запрещенной зоны — это основная характеристика полупроводников, которая в первую очередь обусловливает возможности их применения. На данном этапе развития технологий пока не придуман хороший способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. Этот метод имеет ряд недостатков, он неточный, дорогой и нетехнологичный.
Рисунок. (а) электронная микрофотография углеродной нанотрубки с туннельными контактами; (b) схема бокового разреза туннельного контакта. Источник: Applied Physics Letters
В опубликованной работе ученые предложили технологичный (то есть хорошо совместимый с современными технологиями изготовления электронных устройств) и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого исследователи изготовили туннельный контакт (см. рисунок (а)). Туннельный контакт — это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта не напрямую связан с трубкой, а через тонкий слой диэлектрика (см. рисунок (b)).
«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. “Классическая” частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика “позволяет” электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.
Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов (см. рисунок (а)). Ученые сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней туннельные и омические контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.
«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Образцы были изготовлены сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена в проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и в ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем».
Работа выполнена при поддержке РФФИ, РНФ и Министерства науки и высшего образования РФ.
Пресс-служба МФТИ
| 21.03.22 | 21.03.2022 Издание «XX2 век». Физики применили туннельный контакт для изучения электронной структуры углеродных нанотрубок |
(а) Электронная микрофотография углеродной нанотрубки с туннельными контактами.
(b) Схема бокового разреза туннельного контакта.
Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы представлены в журнале Applied Physics Letters.
Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они последние три десятилетия активно исследуются и могут применяться в различных областях науки и техники.
Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свёрнутый в трубку лист графена. Уникальность свойств углеродных нанотрубок связана с тем, что от того, каким конкретно образом этот лист свернут, зависит ширина запрещённой зоны, определяющей полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки. Можно провести следующую аналогию: представьте обычный лист бумаги — его можно легко свернуть в трубку, соединяя либо две противоположные стороны, либо два противоположных угла, или же можно соединить угол с любой точкой на противоположной стороне. Если теперь мы заменим лист бумаги на маленький кусочек графена, окажется, что в зависимости от того, каким именно способом мы свернули графен в трубку, он будет вести себя либо как полупроводник, либо как металл (с точки зрения проводимости). Такое поведение делает углеродные нанотрубки привлекательным материалом для создания всевозможных электронных устройств.
Ширина запрещённой зоны — это основная характеристика полупроводников, которая в первую очередь обусловливает возможности их применения. На данном этапе развития технологий пока не придуман хороший способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещённой зоны и даже вообще без неё. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. У этого метода есть недостатки: он неточный и дорогой.
В опубликованной работе учёные предложили технологичный (то есть хорошо совместимый с современными технологиями изготовления электронных устройств) и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого они изготовили туннельный контакт (см. рисунок (а)). Туннельный контакт — это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта не напрямую связан с трубкой, а через тонкий слой диэлектрика (см. рисунок (b)).
«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. «Классическая» частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика «позволяет» электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.
Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов (см. рисунок (а)). Учёные сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней туннельные и омические контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещённой зоны.
«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Образцы были изготовлены сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена в проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и в ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем».
Источники: Пресс-служба МФТИ
| 21.03.22 | 21.03.2022 ИА Красная Весна. Ученые создали новый метод определения характеристик углеродных нанотрубок |
Графеновая нанотрубка. Нанотехнологии
Изображение: (сс) cintersimone
Метод использования туннельного контакта для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок и способ его изготовления предложили российские физики, 21 марта пишет журнал МФТИ «За науку».
Важность проведенного исследования, результаты которого опубликованы в журнале Applied Physics Letters, заключается в том, что с помощью этого метода можно точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, являющейся ключевой характеристикой при разработке любых электронных устройств на их основе.
Свойства углеродных нанотрубок, которые можно представить как свернутый в трубку лист графена, определяются тем, каким образом этот лист был свернут относительно внутренней структуры графена. Этот способ определяет ширину запрещенной зоны, которая, в свою очередь, определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки.
Такое свойство углеродных нанотрубок очень привлекательно для разработчиков всевозможных электронных устройств. При этом возможности их применения обусловлены ширина запрещенной зоны.
В настоящее время не известен технологичный способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. Они могут вырастать с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Для определения ширины запрещенной зоны и конкретного вида распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки чаще всего используется туннельная спектроскопия с помощью туннельного микроскопа. Метод этот неточен, дорог и нетехнологичен.
Метод, предложенный командой российских ученых, технологичен и масштабируем. Он позволяет определять спектр электронов одиночной углеродной нанотрубки. Исследователи разработали туннельные контакты к отдельным полупроводниковым углеродным нанотрубкам, высокое сопротивление которых создавалось тем, что металл контакта был экранирован от трубки диэлектриком — оксидом алюминия.
Один из авторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ Яков Матюшкин пояснил:
«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. „Классическая“ частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика „позволяет“ электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке».
В процессе исследования была изготовлена серия одиночных углеродных нанотрубок с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов. К ним при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывалось напряжение и замерялся электрический ток, протекавший через систему. Зависимость тока от напряжения позволила определить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.
«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий», — сообщил соавтор исследования, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ Георгий Федоров.
Предложенный метод, в разработке которого приняли участие сотрудники лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ, проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем», могут ускорить исследования в таких областях, как материаловедение, физика, электроника и многих других.
https://rossaprimavera.ru/news/279f3190
| 21.03.22 | 21.03.2022 Новости РАН. Новые люминофоры: невидимые чернила, светящиеся маркеры и концентраторы Солнца |
Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) исследовали свойства люминофоров – веществ, способных преобразовать поглощаемую энергию в свет, что в перспективе позволит создавать светящиеся в ультрафиолете материалы, а также повысить эффективность солнечных батарей. Об этой работе рассказал ведущий научный сотрудник ФИАНа, заведующий лабораторией, д.х.н. Илья Тайдаков.
«Наша лаборатория Молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов ФИАНа занимается созданием новых люминофоров, в том числе на основе редкоземельных элементов, – рассказывает Илья Тайдаков. – Они интересны тем, что их люминесценция имеет узкие спектральные линии, то есть можно создавать люминофоры дискретных цветов: допустим, европий дает красный свет, тербий – зеленый, иттербий – инфракрасный, невидимый глазу».
Такие люминофоры используются повсюду: от биологических меток в медицине до компонентов органических светодиодов в технике. Поэтому было интересно посмотреть, нельзя ли сделать люминофор более эффективным за счет варьирования отдельных групп, входящих в структуру молекулы.
«Изначальная эффективность чистых ионов редкоземельных металлов как люминофоров весьма мала из-за очень маленького коэффициента поглощения, – обозначает проблему ученый. – Вы на него светите – и только малая часть света поглощается. И даже если весь этот свет будет преобразован, конечная интенсивность люминесценции окажется небольшой. Нужно или повышать мощность падающего излучения, как это происходит в лазерах, или увеличивать сечение поглощения. Мы решили пойти по второму пути».
Слабое поглощение может компенсироваться с помощью так называемого антенного эффекта. Он заключается в том, что можно подобрать органическую молекулу, способную связываться с металлом. При этом у типичных органических молекул сечение поглощения в 10 тыс. и более раз больше, чем у ионов редкоземельных металлов. Такая молекула-антенна поглощает свет, а потом накачивает энергией центральный ион металла, который начинает люминесцировать.
Отправной точкой в исследовании являлся известный европиевый люминофор на основе сложного органического соединения – теноилтрифторацетона. Его молекула содержит, помимо прочего, трифторметильную группу (СF3).
А что будет, если увеличить число замещающих атомов фтора? Быть может, эффективность такой антенны еще больше возрастет?
«Этот процесс был нами подробно исследован, – рассказывает Илья Тайдаков. – Был получен широкий ряд соединений, в которых одна часть молекулы была неизменна, а другая – варьировалась от незамещенной метильной группы (СH3) до протяженной линейной перфтороктильной группы (С8F17). Все соединения были охарактеризованы полным набором необходимых химических методов, чтобы быть полностью уверенными в их структуре и составе, а с точки зрения фотофизики, мы в деталях изучили схемы передачи энергии для всех этих соединений и показали, что влияние атомов фтора в какой-то момент перестает быть значимым. Так, уже после введения трех атомов фтора (CF3 -группа) не наблюдается сильного прироста эффективности».
Увы, значительный рост квантового выхода фиксировался только при добавлении первой трифторметильной группы. Однако физико-химические свойства люминофоров по мере роста длины перфторированной цепи меняются значительно, что позволяет управлять рядом практически значимых параметров при сохранении высокой общей эффективности люминесценции. В результате экспериментов был обнаружен еще один интересный эффект: хотя квантовый выход люминофоров с увеличением степени фторированности растет слабо, зато увеличивается их гидрофобность, то есть способность растворяться в неполярных органических растворителях. Кроме того, люминофоры с длинными цепями проявляют еще и свойства поверхностно-активных веществ, то есть при смешении органических растворов (например, в спирте) с водой, образуются устойчивые ярко люминесцирующие эмульсии, где люминофор превращается в крошечные (наноразмерные) капли – мицеллы, причем их строение таково, что значительного тушения люминесценции водой не происходит.
Регистрация спектра свечения нового люминофора на основе европия, помещенного в криостат спектрометра при низкой температуре.
Подобные эмульсии могут быть полезны для создания каких-то специфических меток, красок, чернил и маркеров. Такие чернила могут быть бесцветными при видимом свете и ярко светиться оранжевым светом при ультрафиолетовом излучении. При этом обратно водой с поверхности они смываться уже не будут. Возможны и другие применения.
«Есть так называемые солнечные концентраторы – это пластины из специального пластика, который поглощает ультрафиолет и высвечивает поглощенную энергию в видимом, как правило, красно-фиолетовом диапазоне, – рассказывает Илья Тайдаков. – Если таким материалом покрыть, скажем, теплицу, растения лучше растут. Для таких применений наши вещества вполне пригодны».
Также подобные материалы используются для повышения эффективности органических солнечных батарей – принцип тот же.
Сотрудники лаборатории Молекулярной спектроскопии люминесцентных материалов ФИАНа.
«Хотя изначально наша работа планировалась как чисто фундаментальное исследование, в результате которого мы хотели понять, почему и как небольшие изменения структуры люминофора влияют на его эффективность, в итоге мы получили практически важный инструмент для синтеза полезных материалов», – подчеркивает ученый.
Подробнее см. статью Tuning the luminescence efficiency by perfluorination of side chains in Eu3+complexes with β-diketones of the thiophene series, Evgeniya A. Varaksina, Mikhail A. Kiskin, Konstantin A. Lyssenko, Lada N. Puntus, Vladislav M. Korshunov, Gustavo S. Silva, Ricardo O. Freire and Ilya V. Taydakov, Physical Chemistry Chemical Physics, Issue 45, 2021
Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.
http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=9bc15962-581e-4e86-ba22-2a29a9ff9154#content
