Больше и быстрее всех атомные электростанции строит Китай. При этом он остаётся зависимым от иностранных поставок урана. Своя руда довольно низкого качества и даже её запасы ограничены. Теоретически уран можно добывать из морской воды, где его в 1000 раз больше, чем в недрах. Тормозит процесс низкая концентрация урана в воде, поэтому без прорыва на этом направлении дела не будет.

Источник изображения: Weibo/CPNN

Группа учёных из Северо-Восточного педагогического университета в Чанчуне в провинции Цзилинь опубликовала работу, в которой сообщила о разработке и апробации нового метода извлечения урана из морской воды. По словам исследователей, предложенная технология в три раза быстрее извлекает сырьё из воды, чем альтернативные методы. Насколько это сложная задача можно понять, если представить, что нам надо добыть 1 г поваренной соли из 300 тыс. литров пресной воды.

Традиционно уран и другие элементы извлекаются из морской воды с помощью ряда физико-химических процессов и реакций. Новый подход предлагает электрохимическую реакцию. Необходимо было только разработать электрод, который мог бы улавливать ионы урана, связывать их и накапливать для дальнейшего использования.

В итоге команда представила электрод с полимерным покрытием. За основу были взяты так называемые пористые ароматические каркасы. Также исследователи подобрали режимы работы электрохимического процесса, чтобы проходящий через электроды и жидкость ток время от времени менял направление и силу. Это было необходимо для того, чтобы ионы других металлов в морской воде, а их там очень много и разных, не забивали электроды и не тормозили процесс связывания урана.

«Извлечение урана электродами PAF (PAF-E) показывает более высокое поглощение и более быструю кинетику по сравнению с физико-химической адсорбцией», — сообщают авторы работы.

Источник изображения: Zhu Guangshan

В ходе испытаний, проведенных на воде из Бохайского залива, команда использовала электрод для извлечения 12,6 мг урана на 1 г материала. Процесс продолжался в течение 24 дней. Причём на момент измерения насыщения ещё не было. Процесс может быть масштабирован с получением приемлемого результата в промышленных масштабах.

Загадочная физика так называемых странных металлов 40 лет ставит учёных в тупик. Проблески в понимании вопроса уже есть, но исследования продолжаются и открывают всё новые и новые необъяснимые свойства вещества. Свежее исследование показало, что электрический ток в странных металлах течёт с нарушением известной нам физики и учёные пока не понимают, почему это происходит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

Странные металлы условно занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. У них уже есть свободные электроны, способные переносить электрический заряд (обеспечить течение тока), но они пока ещё не становятся проводниками в полном смысле этого слова. Начать понимать природу странных металлов помог синтез квантовой и классической физики. В то же время он показал, что тот же эффект электрического тока, например, мы понимали, скорее всего, неправильно.

В основе современной теории электрического тока лежит перенос заряда квазичастицами, представленными коллективными действиями электронов. Дискретная природа электрического тока проявляется в случае так называемого дробного шума, когда ток в сети проявляется всплесками, а не в виде равномерного переноса заряда постоянной величины. Чтобы узнать, как ток течёт в странных металлах, учёные создали такие условия, чтобы можно было следить едва ли не за каждым электроном.

В основе измерительного стенда лежали нанопроводники из соединения иттербия, родия и кремния (YbRh₂Si₂) шириной 200 нм и длиной 600 нм. Это соединение относится к странным металлам и, как и прочие странные металлы, обладает нетипичными свойствами вблизи абсолютного нуля. Если бы электрический ток тёк через этот материал так, как мы представляем — дискретно группами коррелированных электронов в виде квазичастиц, то ничего странного не произошло бы. Однако в ходе эксперимента учёные убедились, что ток продолжал течь плавно без свойственных дробному шуму флуктуаций как вода по широкому жёлобу.

Говоря иначе, заряд отчасти передавался как будто без участия электронов, что представляется невероятным. Возможно, в металлах происходит всё то же самое, и носителем заряда служит нечто другое помимо электронов. Несомненно в этом проявляются квантовые эффекты, но каким образом, физикам ещё предстоит объяснить.

Ответ на этот вопрос поможет приблизить открытие сверхпроводимости при обычной температуре, ведь одним из коренных свойств странных металлов является совершенно отличное от металлов поведение удельного сопротивления вблизи абсолютного нуля. У металлов оно меняется скачком от нуля до высокого, а у странных металлов вместо скачка оно растёт постепенно и линейно. Дотянуть бы его небольшим до высоких температур, и будет всем счастье в энергетике.

Исследователи Google DeepMind объявили, что им с помощью искусственного интеллекта удалось открыть 2,2 млн ранее неизвестных кристаллических материалов, из которых 380 тыс. признаны стабильными. Многие из них могут быть полезны в разных технологических областях: от батарей до сверхпроводников. Учёные с помощью роботизированной лаборатории смогли воспроизвести части этих материалов. Прежде на это ушли бы годы, а сейчас — полмесяца.

Источник изображения: Google

Лаборатория A-Lab с помощью роботов оперирует самыми разными ингредиентами, такими как оксид никеля и карбонат лития, предназначена для получения новых и интересных экспериментальных материалов, некоторые из которых могут найти применения в будущих аккумуляторах. Результаты могут быть непредсказуемыми. Даже ученый-человек обычно не создаёт то, что нужно с первого раза. Поэтому иногда роботы производят просто красивый порошок. В других случаях это расплавленное клейкое месиво, или всё испаряется, и ничего не остаётся.

«В этот момент человеку придется принимать решение: Что мне теперь делать?», — говорит Гербранд Седер (Gerbrand Ceder), материаловед из Лаборатории Лоренса Беркли (LBL, Laboratory of Lawrence Berkeley) в Калифорнийском университете Беркли. Роботы должны то же самое. Они анализируют то, что получилось, корректируют рецепт и пробуют снова. И ещё раз. И снова. «Утром вы даёте им несколько рецептов, а когда возвращаетесь домой, у вас может получиться новое прекрасное суфле, — отмечает материаловед Кристин Перссон (Kristin Persson), сотрудница Седера в LBL. — А может быть, вы вернётесь в сгоревший беспорядок! Но, по крайней мере, завтра они сделают суфле намного лучше».

Недавно ассортимент «блюд», доступных роботам в LBL, вырос в геометрической прогрессии благодаря программе искусственного интеллекта, разработанной Google DeepMind. Алгоритм, получивший название GNoME, был обучен на основе данных из проекта «Материалы» — бесплатной базы данных, содержащей 150 000 известных материалов, которую курирует Перссон. Используя эту информацию, система искусственного интеллекта предложила проекты материалов, содержащие 2,2 миллиона новых кристаллов, из которых 380 000 были признаны стабильными. Они не разлагаются и не взрываются, а значит, наиболее подходят для синтеза в лаборатории, что расширило диапазон известных стабильных материалов почти в 10 раз. В статье, опубликованной сегодня в Nature, авторы пишут, что в этой расширенной базе данных может скрываться следующий инновационный твердотельный электролит, или материал для солнечных батарей, или высокотемпературный сверхпроводник.

Поиск иголок в стоге сена начинается с их изготовления, что является ещё одной причиной для быстрой и непрерывной работы. В ходе недавних экспериментов автономная лаборатория Седера в LBL смогла создать 41 теоретический материал с помощью GNoME за 17 дней, что помогло подтвердить дееспособность как модели ИИ, так и роботизированных методов лаборатории.

При принятии решения о том, можно ли на самом деле изготовить материал, будь то человеческими руками или руками робота, одним из первых вопросов является вопрос о его стабильности. Как правило, это означает, что совокупность атомов находится в минимально возможном энергетическом состоянии. В противном случае кристалл захочет превратиться во что-то другое. На протяжении тысячелетий люди постоянно пополняли список стабильных материалов, первоначально наблюдая за теми, что встречаются в природе, или открывая их благодаря элементарной химической интуиции или случайности. В последнее время материалы стали разрабатывать с помощью компьютеров.

Проблема, по мнению Перссон, заключается в предвзятости: со временем коллективные знания стали отдавать предпочтение определенным знакомым структурам и элементам. Материаловеды называют это «эффектом Эдисона»: знаменитый изобретатель активно использовал метод проб и ошибок при создании нити накаливания. В ходе подбора материала для неё были испытаны тысячи видов углерода, прежде чем учёный пришел к разновидности, полученной из бамбука. Венгерской группе потребовалось ещё десять лет, чтобы придумать использовать вольфрам. «Он был ограничен своими знаниями, — утверждает Перссон. — Он был предвзят, он был предубеждён».

Подход DeepMind призван преодолеть эти предубеждения. Команда начала с 69 000 материалов из базы данных, которая является бесплатной и финансируется Министерством энергетики США. Это было хорошее начало, поскольку база данных содержит подробную энергетическую информацию, необходимую для понимания того, почему одни материалы стабильны, а другие — нет. Но этих данных недостаточно, чтобы преодолеть то, что исследователь Google DeepMind Экин Догус Кубук (Ekin Dogus Cubuk) называет «философским противоречием» между машинным обучением и эмпирической наукой.

Как и Эдисон, ИИ борется за то, чтобы генерировать действительно новые идеи, выходящие за рамки того, что он видел раньше. «В физике вы никогда не займётесь изучением того, что уже знаете, — говорит он. — Вы почти всегда хотите обобщить то, что вам уже известно, — будь то открытие другого класса материалов для батарей или новой теории сверхпроводимости».

GNoME использует подход, называемый активным обучением. Сначала графовая нейронная сеть (GNN) использует базу данных материалов для изучения закономерностей в стабильных структурах и выяснения того, как минимизировать энергию атомных связей в новых структурах. Используя весь диапазон периодической таблицы Менделеева, она выдает тысячи потенциально стабильных кандидатов в материалы. Следующий шаг — их проверка и корректировка с помощью метода квантовой механики, называемого теорией функционала плотности, или DFT. На следующем этапе эти уточнённые результаты снова подключаются к обучающим датасетам, и процесс повторяется.

Источник изображения: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Исследователи обнаружили, что при многократном повторении этот подход позволяет генерировать более сложные структуры, чем те, которые изначально были в датасете Materials Project, включая некоторые, состоящие из пяти или шести уникальных элементов. (Датасет, использовавшийся для обучения ИИ, в основном ограничивался четырьмя). Эти типы материалов включают так много сложных атомных взаимодействий, что они обычно не поддаются человеческой интуиции.

Но DFT — это только теоретическое обоснование. Следующий шаг — это реальное создание чего-либо. Поэтому команда Седера выбрала 58 теоретически возможных кристаллов для создания в лаборатории A-Lab. Учитывая возможности лаборатории и доступные компоненты, выбор был случайным. И поначалу, как и ожидалось, роботы терпели неудачи, а затем система неоднократно корректировала рецепты. После 17 дней экспериментов A-Lab удалось получить 41 стабильный материал, или 71 % от изначально выбранного перечня, причём иногда после опробования десятка различных рецептов.

Тейлор Спаркс (Taylor Sparks), материаловед из Университета Юты, не принимавший участия в исследовании, говорит, что видеть, как автоматика работает над синтезом новых типов материалов, многообещающе. Но использование искусственного интеллекта для предложения тысяч новых гипотетических материалов, а затем погоня за ними с помощью автоматики, просто нецелесообразна, добавляет он. GNN широко используются для разработки новых идей для материалов, но обычно исследователи хотят направить свои усилия на создание материалов с полезными свойствами, а не на слепое воспроизведение сотен тысяч таких материалов. «У нас уже есть слишком много вещей, которые мы хотели бы исследовать, но физически не смогли, — говорит он. — Я думаю, проблема в том, приближается ли этот масштабный синтез к количеству предсказанных материалов? Даже близко нет».

Лишь часть из 380 000 материалов, описанных в статье Nature, может быть создана на практике. Некоторые из них включают радиоактивные элементы, слишком дорогие или редкие. Некоторые потребуют синтеза в экстремальных условиях, которые невозможно создать в лаборатории, а каким-то нужны составляющие, которые учёным просто неоткуда взять. Это, скорее всего, относится даже к материалам, которые могут стать потенциально полезными при создании фотоэлектрического элемента или батареи следующего поколения. «Мы придумали много классных материалов, – утверждает Перссон. – Их изготовление и тестирование неизменно оказываются узким местом, особенно если речь идет о материале, который ещё никто не делал. Число людей, которым я могу позвонить из своего круга друзей и сказать: «Конечно, давайте я займусь этим для вас», – всего лишь один или два человека». «Действительно, неужели так много?» – с улыбкой спрашивает Седер.

Даже если материал может быть создан, предстоит долгий путь превращения базового кристалла в продукт. Перссон приводит в пример электролит внутри литийионного аккумулятора. Предсказания об энергии и структуре кристалла могут быть применены для решения таких задач, как определение того, насколько легко ионы лития могут перемещаться по нему – это ключевой аспект производительности. Но что не так легко предсказать, так это то, вступит ли этот электролит в реакцию с соседними материалами и не разрушит ли он всё устройство? К тому же, как правило, полезность новых материалов становится очевидной только в сочетании с другими материалами или при манипулировании ими с помощью химических добавок.

Тем не менее, расширение спектра материалов увеличивает возможности синтеза, а также предоставляет больше данных для будущих программ искусственного интеллекта, говорит Анатоль фон Лилиенфельд (Anatole von Lilienfeld), материаловед из Университета Торонто, который также не принимал участия в исследовании. Кроме того, это помогает материаловедам отвлечься от своих предубеждений и устремиться к неизведанному. «Каждый новый шаг, который вы делаете, – это фантастика, – восхищается он. – Этот шаг может открыть новый класс соединений».

Google также заинтересована в изучении возможностей новых материалов, созданных GNoME, говорит Пушмит Кохли (Pushmeet Kohli), вице-президент по исследованиям в Google DeepMind. Он сравнивает GNoME с AlphaFold, программным обеспечением компании, которое поразило структурных биологов своим успехом в предсказании того, как складываются белки. Обе программы решают фундаментальные проблемы, создавая архив новых данных, которые ученые могут изучать и расширять. Далее компания планирует заняться более конкретными проблемами, такими как поиск интересных свойств материалов и использование искусственного интеллекта для ускорения синтеза.

Обе эти задачи являются сложными, поскольку для начала обычно имеется гораздо меньше данных, чем для прогнозирования стабильности. Кохли говорит, что компания изучает возможности более непосредственной работы с физическими материалами, будь то привлечение сторонних лабораторий или продолжение академического партнерства. Он также добавил, что компания может создать собственную лабораторию, ссылаясь на Isomorphic Labs, подразделение DeepMind, занимающееся разработкой лекарств и основанное в 2021 году после успеха AlphaFold.

Всё может стать сложнее для исследователей, пытающихся применить материалы на практике. Проект «Материалы» популярен как среди академических лабораторий, так и среди корпораций, поскольку он допускает любой тип использования, включая коммерческие предприятия. Кандидаты в материалы, созданные Google DeepMind, выпускаются под отдельной лицензией, которая запрещает коммерческое использование. «Они выпускаются для академических целей, – поясняет Кохли. – Если люди захотят исследовать и изучить возможность коммерческого партнерства, мы будем рассматривать их заявки индивидуально в каждом конкретном случае».

Многие ученые, работающие с новыми материалами, отметили, что неясно, какое право голоса будет иметь компания, если тестирование в академической лаборатории приведет к возможному коммерческому использованию материала, созданного GNoME. Идея нового кристалла, не имеющая конкретного применения, как правило, не подлежит патентованию, и отследить её происхождение по базе данных может быть непросто.

Кохли также говорит, что, хотя данные и публикуются, в настоящее время нет планов выпускать модель GNoME. Он ссылается на соображения безопасности – по его словам, программное обеспечение теоретически может быть использовано для создания опасных материалов, – а также на неопределенность стратегии Google DeepMind в отношении материалов. «Трудно делать прогнозы относительно того, каким будет коммерческий эффект», – поясняет Кохли.

Спаркс ожидает, что его коллеги-ученые будут возмущаться отсутствием кода для GNoME в открытом доступе, как это делали биологи, когда AlphaFold была первоначально опубликована без полной модели. (Позже компания выпустила ее). «Это неприемлемо», – возмущается он. Другие материаловеды, вероятно, захотят воспроизвести полученные результаты и изучить способы улучшения модели или её адаптации к конкретным условиям использования. Но без модели они не смогут сделать ни того, ни другого.

Тем временем исследователи Google DeepMind надеются, что сотен тысяч новых материалов будет достаточно, чтобы теоретики и синтезаторы — как люди, так и роботы — не остались без дела. «Любая технология может быть улучшена с помощью лучших материалов. Это узкое место, – поясняет Кубук. – Вот почему мы должны развивать эту область, открывая новые материалы и помогая людям производить их ещё больше».

Сегодня классическая компьютерная архитектура фон-Неймана стала препятствием для наращивания вычислительных возможностей. Частично вина за это лежит на обмене данными процессора с внешней памятью. Хранение данных в процессоре — где они обрабатываются — многократно помогло бы снизить потребление компьютеров. Первый такой процессор для задач ИИ создали в Швейцарии. В его основе лежат новые атомарно тонкие полупроводники, а не кремний.

Источник изображения: EPFL

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) опубликовали в журнале Nature Electronics статью, в которой сообщили о создании процессора из 1024 транзисторов на основе дисульфида молибдена (MoS₂). Они не первые, кто обратил внимание на этот полупроводник. Слой дисульфида молибдена имеет толщину в три атома и неплохо зарекомендовал себя в опытных разработках в качестве рабочего канала транзисторов. По большому счёту его можно рассматривать как графен в мире полупроводников. Его характеристики и методы получения во многом напоминают работу с моноуглеродными слоями.

Свой первый образец MoS₂ исследователи из EPFL 13 лет назад получали с помощью скотча, отбирая липкой лентой с основы чешуйки материала. Сегодня они уже могут производить целые пластины дисульфида молибдена, из которых, в частности, был изготовлен кристалл процессора площадью 1 см². И поскольку это полупроводник, технологию производства таких процессоров можно будет внедрять на действующих заводах, где уже обрабатывается кремний.

Каждый транзистор из MoS₂ в опытном процессоре также содержит управляющий плавающий затвор. Затвор предназначен для хранения бита данных и для управления транзистором. Данные вычислений остаются в процессоре и участвуют в дальнейшей работе процессора. Никуда вовне обрабатываемые данные не пересылаются и ниоткуда не загружаются. Мы просто подаём на вход процессора информацию для обработки, а на выходе получаем готовый результат.

Представленный прототип процессора с вычислениями в памяти предназначен для выполнения одной из фундаментальных операций обработки данных — векторно-матричного умножения. Эта операция повсеместно используется при цифровой обработке сигналов и реализации моделей искусственного интеллекта. Очевидно, что сегодня такие решения находятся на пике спроса. Как уверяют разработчики, создав масштабный рабочий прототип, они доказали возможность переноса проекта на заводы для массового выпуска.

Отдельно исследователи заявили, что разработка дошла до своей реализации благодаря усиленному финансированию со стороны властей Европейского союза, который стремится вернуть Европе звание лидера рынка полупроводников.

Сводная группа физиков и химиков создала материал, который обладает рядом уникальных характеристик. Это своего рода сплав гидрогеля и силикона, который может управляемо и быстро изменять свои размеры и физические характеристики. Одним из применений нового материала может быть машинное зрение с простой фокусировкой массивов мягких линз вплоть до размещения глаз по поверхности кожи роботов.

Источник изображения: Craig Chandler, University of Nebraska–Lincoln

Главной проблемой при создании адаптивного материала на основе гидрогеля и силикона стало отторжение одного от другого. Разработки долго не могли найти способ прочно привязать гидрогель к силиконовой основе. Физикам пришлось звать на помощь химиков. Междисциплинарная команда учёных смогла подобрать рецепт для правильного смешения ингредиентов и условий полимеризации, чтобы полимерные цепочки гидрогеля стали продолжением полимерных цепочек силикона, для чего подошли определенные соединения лития и последующая обработка ультрафиолетом.

На основе нового материала были созданы массивы микролинз, подобно фасеточным глазам насекомых. Способность материала линз менять свои свойства оказалась удобной для реализации системы фокусировки. Что интересно, в процессе фокусировки линзы практически не меняли свою форму. Изменение фокусного расстояния происходило в процессе изменения плотности линз, что меняло угол преломления света. Добиться же изменения плотности материала гидрогелевых линз оказалось достаточно просто — для этого их нагрели до температуры около 80 °C с помощью жидкости, проходящей через капилляры в линзах.

На выходе учёные получили массивы микролинз с регулируемой фокусировкой на гибкой подложке. Такими массивами можно будет покрывать кожу мягких роботов, чтобы помочь им ориентироваться в пространстве без сложной системы бинокулярного зрения. Роботам не придётся вертеть головой. Они будут видеть кожей на 360°. Автомобилям с автопилотом это тоже пригодится, чтобы лучше воспринимать дорожную обстановку.

Но и это не всё. Подобный адаптируемый материал можно будет использовать в биологии для культивирования множества видов живых тканей. Тем более, что гидрогелевая основа сегодня является базовой для подобных работ. Наконец, в перспективе можно будет создавать предметы на вырост, которые росли бы и меняли свою форму вместе с ростом их владельцев. Этому может быть множество применений, многие из которых пока даже не приходят на ум. Но это увлекательное будущее, уверены изобретатели.

Фосфор, как и графен способен образовывать атомарно тонкие полупроводниковые структуры. Это открывает перед ним дорогу в аккумуляторы, солнечные элементы и датчики, которые благодаря этому веществу могут стать лучше. Но всё упирается в проблемы при переходе из лабораторий в массовое производство. Помочь с этим фосфору взялись британские учёные, и у них всё может получиться.

Источник изображения: University College London

Университетский колледж Лондона начал проводить эксперименты с нанонитями фосфора с 2019 года. Нанолисты на основе фосфора впервые были получены учёными в 2014 году. С тех пор исследователи опубликовали свыше 100 статей об этом материале и преимуществах его использования в датчиках и в электронике в целом. Со временем выяснилось, что получение из страниц нанонитей фосфора также позволяет улучшать и изменять свойства материалов, но простых технологий для этого не было.

Британские учёные начали выделять фосфорные нити из листов около четырёх лет назад и вскоре выяснили, что легирование фосфора мышьяком даёт дополнительные преимущества перспективному материалу. В частности, мышьяк обеспечивает нанонитям электронную и дырочную проводимость, что избавляет от необходимости использовать в соединениях с фосфором углерод. Тем самым, например, при изготовлении анодов батарей с использованием нановолокон из фосфора и мышьяка ёмкость аккумуляторов будет выше за счёт удаления из состава электродов углерода.

Аналогично улучшается внутренняя проводимость солнечных батарей и повышается чувствительность датчиков, если в состав материалов для них вводятся нанонити из фосфора, легированного мышьяком.

Для массового производства «чудо-материала» учёные из Университетского колледжа Лондона предложили смешивать кристаллические структуры из листов фосфора и мышьяка с литием, растворённым в жидком аммиаке при температуре -50 °C. Через сутки аммиак удаляется и заменяется органическим растворителем. Атомарно тонкая структура нанолистов позволяет ионам лития перемещаться только в одном направлении, что ведёт к образованию продольных трещин и, в итоге, к образованию множества нановолокон. Эта технология подходит для массового производства нанонитей, утверждают учёные и надеются этим заинтересовать производителей.

Стремительное появление гибких и складных дисплеев, а также развитие робототехники привело к спросу на уникальные клеи, которые одновременно должны быть эластичными, быстро восстанавливать свою форму после деформаций и при этом надёжно удерживать вместе скрепляемые детали. Обычные клеи на такое неспособны. Они либо отваливаются, либо недостаточно эластичные. Учёные из Южной Кореи решили эту проблему, синтезировав новый гибкий клей для электроники.

Источник изображения: Unsplash

Исследователи с факультета энергетики и химического машиностроения института UNIST (Ульсанский национальный институт науки и технологий) успешно синтезировали новые типы так называемых «сшивателей» на основе уретана, которые решают эту важнейшую задачу. Сшиватели — это химические соединения, которые обеспечивают химические связи между другими компонентами соединения.

В качестве жёстких сегментов сшивателей используются м-ксилилендиизоцианат (XDI) или 1,3-бис(изоцианатометил)циклогексан (H6XDI), а в качестве мягких сегментов — группы поли(этиленгликоля) (ПЭГ). Включение этих новых синтезированных материалов в состав клеев, чувствительных к давлению, позволило значительно улучшить их восстанавливаемость по сравнению с традиционными решениями.

Новый клей на основе H6XDI-PEG диакрилата продемонстрировал исключительные свойства восстановления при сохранении высокой адгезионной прочности (~25,5 Н/25 мм). В ходе длительных испытаний на складывание, включающих 100 тыс. сгибаний, и испытаний на растяжение в нескольких направлениях, включающих 10 тыс. циклов, новый клей продемонстрировал исключительную стабильность при многократных деформациях, что свидетельствует о его высоком потенциале для применения в областях, требующих одновременно гибкости и способности к восстановлению.

Более того, даже при деформации до 20 % клей демонстрировал высокий оптический коэффициент пропускания (>90 %), что делает его пригодным для использования в таких областях, как складные дисплеи, где требуется не только гибкость, но и оптическая чистота.

«Этот прорыв в клеевой технологии открывает многообещающие возможности для создания электронных изделий, требующих одновременно высокой гибкости и быстрого восстановления формы, — сказал ведущий исследователь проекта. — Наше исследование решает давнюю проблему баланса между надёжностью адгезии и эластичностью, открывая новые возможности для разработки гибких электронных устройств».

Учёные получили самый мощный в мире рентгеновский лазер — установку LCLS-II на базе американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Длившаяся около десяти лет модернизация лазера LCLS тысячекратно умножила его мощность и возможности. Частота вспышек выросла до одного миллиона раз в секунду. Это означает, что учёные в реальном времени смогут снимать «фильмы» о поведении молекул и атомов в материалах, что позволит открывать секреты мироздания.

В ряд выстроены 37 криогенных ускорителей электронов. Источник изображения: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory

Установка LCLS, или первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах, начал работать в SLAC в 2009 году и обладал частотой до 120 рентгеновских импульсов в секунду. Установка представляла собой медный волновод, находящийся в обычных комнатных условиях. Короткие и относительно мощные рентгеновские импульсы, получаемые как вторичные после разгона электронов, бомбардируют исследуемый образец и дают картину его молекулярного и атомарного устройства. Чем выше энергия импульсов и их частота, тем точнее картина, вплоть до съёмки поведения молекул и атомов в реальном времени.

Новая установка получила криогенные ускорители электронов. Впрочем, старая установка с медной трубой также сохранена и будет принимать участие в новых экспериментах наряду с новой. Это позволит получать данные в расширенном диапазоне энергий, что обеспечит более полный набор данных для опытов. Однако разница между ними колоссальная: частота лазерных импульсов у новой установки в 8000 раз выше, чем у старой. Это обеспечит слежение за очень и очень быстрыми процессами в материалах и химических реакциях. Это особенно важно для квантовых исследований, которые обычно контринтуитивны или, если проще, непредсказуемы.

Учёные давно ждали этот инструмент и сейчас выстроились в очередь для проведения на LCLS-II научных работ, которые стартуют в ближайшие недели. Установка востребована в материаловедении, в квантовых науках, в биохимии, в фармакологии, в геологии и в массе других областей, где детальное знание происходящих химических процессов и строения веществ играет первостепенную роль. Научный мир на пороге новой эры в открытиях, и это не пустые слова. В России, кстати, для аналогичных исследований строится комплекс «СКИФ» и ряд установок поменьше. Но это уже другая история.

Японские учёные первыми в мире синтезировали самый тяжёлый изотоп кислорода-28 (²⁸O). На удивление исследователей, изотоп ²⁸O сразу же распался, что противоречит теориям Стандартной модели. Это подрывает основы наших знаний о мироздании — о сильном ядерном взаимодействии элементарных частиц, чему теперь предстоит найти объяснение.

Источник изображения: Pixabay

Самая распространённая на Земле форма изотопа кислорода — это кислород-16. Кислород-28 должен иметь на 12 нейтронов больше, но его до сих пор никто не смог синтезировать. Это удалось сделать учёным из Токийского технологического института. После серии ядерных преобразований на установке Riken RI в Вако (Япония) отсеянный спектрометром изотоп фтора-29 с девятью протонами направили на мишень из жидкого водорода. После столкновения водород и ²⁹F потеряли по одному протону и образовали молекулу изотопа кислорода-28.

Впрочем, о появлении ²⁸O учёные смогли судить лишь косвенно, по следам его распада. Вопреки предсказаниям теории, он разрушился чрезвычайно быстро — через зептосекунду (10^-21 с). Стандартная модель представляла, что изотоп кислорода-28 сможет существовать практически вечно, настолько он должен был оказаться стабильным.

«Это открывает очень, очень большой фундаментальный вопрос о самом сильном взаимодействии в природе — ядерной силе, — прокомментировал открытие изданию New Scientist Ритупарна Канунго, физик из Университета Святой Марии (Канада), не принимавший участия в эксперименте.

Стандартная модель утверждает, что частицы будут стабильными, если оболочки в ядре атома заполнены определенным числом протонов и нейтронов, которое называют «магическим» числом. Кислород-28 содержит 20 нейтронов и 8 протонов — оба числа являются магическими, что заставляло предположить, что эта молекула должна была быть чрезвычайно стабильной или «дважды магической». Однако этого не произошло.

Схема эксперимента по синтезу тяжёлых изотопов кислорода. Источник изображения: R. Kanungo / Nature 2023

О синтезе ²⁸O учёные узнали по продуктам его распада, который произошёл, по-видимому, за два этапа. В конечном итоге остался изотоп кислород-24 и четыре нейтрона.

«Я был удивлен, — сказал в интервью Nature Такаши Накамура, физик из Токийского технологического института и соавтор исследования. — Лично я думал, что это двойная магия. Но природа сказала своё слово».

Хотя эксперимент ещё не был воспроизведен в других лабораториях, результаты исследования позволяют предположить, что существующий список магических чисел может не давать полной картины того, насколько стабильны молекулы. В частности, ещё в 2009 году учёные показали, что изотоп кислорода-24 ведёт себя так, как будто он дважды магический, хотя у него нет магического числа протонов и нейтронов в оболочке. Подобные загадки имеют особую ценность для науки. Они указывают цель, к которой надо двигаться дальше.

Китайские учёные сообщили о создании технологии массового производства подложек с атомарно тонкими полупроводниковыми слоями. Новая технология масштабируется до производства 12-дюймовых (300-мм) подложек — самых массовых, продуктивных и наибольших по диаметру пластин для производства чипов. С такими пластинами транзисторы с затвором размером 1 нм и меньше станут реальностью, что продлит действие закона Мура и выведет электронику на новый уровень.

Источник изображения: Pixabay

Современные технологии наращивания слоёв на подложках работают по принципу осаждения материала из точки распыления на поверхность. Для нанесения плёнок толщиной в один атом или около того на крупные пластины эта технология не предназначена. С её помощью можно инициировать рост равномерной по толщине плёнки только на небольшие пластины — примерно до 2 дюймов в диаметре. Для пластин большего диаметра и, тем более, для 300-мм подложек этот метод не годится.

В интервью изданию South China Morning Post профессор Пекинского университета Лю Кайхуи (Liu Kaihui) сообщил, что его группа разработала технологию производства атомарно тонких слоёв на любых подложках вплоть до 300-мм. В основе технологии лежит контактный метод выращивания плёнки с поверхности на поверхность. Активный материал входит в контакт с подложкой сразу по всей её поверхности, давая старт для роста плёнки равномерно во всех её точках. В зависимости от типа активного материала могут быть выращены плёнки нужного состава и даже множество плёнок друг на друге, если это потребуется.

Кроме того, учёные разработали проект установки для выращивания атомарно тонких плёнок в массовых объёмах. Согласно расчётам, одна такая установка может выпускать до 10 тыс. 300-мм подложек в год. Эта же технология подходит для покрытия подложек графеном, что позволит, наконец, внедрить этот интересный материал в массовое производство чипов.

Следует сказать, что учёные заглянули далеко вперёд. Сегодня 2D-материалы (толщиной в 1 атом) только исследуются на предмет использования в структурах 2D-транзисторов и в других качествах. До массового производства подобных решений ещё очень далеко, и предстоит провести много научной работы, пока она не воплотится в серийной продукции. Но это важнейшее направление, которое позволит совершить прорыв в производстве электроники и китайские производители внимательно следят за успехами своих учёных.

В поисках альтернативы редкоземельным металлам — ключевым компонентам современных технологий — учёные обратили внимание на тетратенит. Это редкий сплав, впервые найденный в метеорите, который может стать революционным решением для производства электроники и современной техники, и даже предложить альтернативу редкоземельным металлам. Учёным удалось искусственно синтезировать данный сплав.

Источник изображения: Rob Lavinsky / iRocks.com, cam.ac.uk

27 июня 1966 года над городом Сент-Северен во Франции пронёсся метеорит весом 113,4 кг, который вскоре упал на землю, оставив после себя воронку глубиной около 61 см и шириной 76 см. Исследователи из Национального музея естественной истории Франции (NMNH) обнаружили в этом метеорите редкий металл — тетратенит.

Тетратенит — это металл с тетрагональной структурой, состоящий из тенита, сплава никеля и железа. Его свойства схожи со свойствами редкоземельных металлов, используемых для создания мощных магнитов, которые применяют в потребительской электронике, электромобилях, военной технике и системах возобновляемой энергетики. «Редкоземельные металлы идут в абсолютно жизненно важные сегменты промышленности и технологий. Они являются ключевыми компонентами для вычислительной техники, а также для всех новых технологий, которые служат топливом или поддержкой энергетического перехода», — заявил Ариэль Коэн (Ariel Cohen), старший научный сотрудник Атлантического совета (Atlantic Council).

В 2022 году команда из Университета Кембриджа (University of Cambridge) под руководством Линдси Грира (Lindsay Greer) объявила о синтезе тетратенита из железа и никеля — одних из самых распространённых металлов на Земле. Этот искусственно созданный металл может заменить редкоземельные металлы, такие как неодим и празеодим, в будущем.

Почти одновременно с этим инженеры из Северо-Восточного университета (NEU) в Бостоне также заявили о своём методе производства тетратенита. Их метод, разработанный под руководством доктора философии и профессора химического машиностроения Лоры Льюис (Laura Lewis), был аналогичен методу Грира, но с одним отличием: в процессе охлаждения расплава команда Льюис применяла «экзистенциальное напряжение», что позволило атомам внутри образовать тетрагональные структуры, характерные для тетратенита.

Спрос на редкоземельные металлы растёт, а их добыча происходит только в нескольких местах в мире и связана с экологическими рисками. Китай контролирует 70 % мирового производства редкоземельных металлов и угрожает сократить его поставки недружественным странам.

Однако благодаря исследованиям учёных, которые синтезировали тетратенит, этот металл может стать реальной альтернативой редкоземельным металлам и предложить экологически чистую альтернативу. Льюис подчёркивает: «Это больше, чем просто дефицит. Потому что методы, необходимые для переработки добываемой из земли руды, действительно экологически опасны, я бы сказала, даже вредны».

Промышленное производство тетратенита остаётся сложной задачей, которую учёные пока ещё только пытаются решить. Несмотря на значительные успехи в лабораторных условиях, на данный момент исследовательские группы, включая команду Грира и Льюис, способны получать лишь микроскопические количества этого уникального металла. Грир с оптимизмом смотрит в будущее, но также признает, что путь от лабораторных экспериментов до массового производства тетратенита ещё долог и требует дополнительных исследований и инноваций.

Тетратенит может стать ключом к созданию более устойчивого и экологически безопасного будущего в области производства электроники и технологий. Если учёные смогут преодолеть технические препятствия, связанные с его производством, этот металл может изменить глобальные цепочки поставок и уменьшить зависимость от редкоземельных металлов. Возможно, ответ на наши технологические и экологические вызовы пришёл прямо из космоса.

Учёные из Университета Колорадо в Боулдере сделали шаг к созданию искусственной мускулатуры и приводов, управляемых светом. Они создали наноматериал, в котором свет преобразуется в механическую работу без промежуточных действий. Опытный образец такой «мускулатуры» поднимал груз в 1000 раз большей массы, чем весил сам. В перспективе такие управляемые светом мускулы могут стать основой роботов и беспилотников с беспроводным питанием.

Источник изображения: Pixabay

Новый материал создан на базе крошечных органических кристаллов, преобразующих свет в значительные механические усилия, достаточные для поднятия массы в 1000 раз больше собственной. Такой материал кроме совершения непосредственных физических действий может стать источником энергии для дистанционно управляемых систем — роботов или транспортных средств.

В основе всех подобных фотохимических материалов лежат химические и физические преобразования на молекулярном уровне. В целом они представляют интерес по простой причине — они управляются освещением, что сильно упрощает разработку ответственных узлов в робототехнике. Но при этом инженеры и учёные должны найти способ трансформировать молекулярные преобразования в ощутимую механическую работу, а это задачка не из лёгких.

Значительной трудностью на пути к масштабной работе «наномускул» оставалась высокая вероятность растрескивания кристаллических структур. Чтобы предотвратить такую порчу материала, учёные поместили фотохимические нанокристаллы на основе диарилэтена в пористый полимерный материал полиэтилентерефталат. Поры микронного размера ограничивали рост кристаллов и не давали им растрескаться, действуя как фиксирующая оболочка.

Эксперименты с полученным образцом показали его высокие прочностные характеристики. Материал не трескался при изгибах на 180 °. Чередование освещения ультрафиолетовым и обычным светом заставляло материал сгибаться и разгибаться. При собственном весе массива в 0,02 г он с лёгкостью поднимал нейлоновый шарик массой 20 г. Чтобы такой мускул поднял руку робота, ему достаточно попасть под луч света.

Источник изображения: University of Colorado Boulder

Прежде чем такие роботы выйдут в мир предстоит проделать много научной работы. Новый материал не может похвастаться эффективностью и универсальностью. КПД его работы очень мал, а физические движения ограничены командами «согнуть» и «разогнуть».

«Нам ещё предстоит пройти долгий путь, особенно в плане эффективности, прежде чем эти материалы смогут составить реальную конкуренцию существующим приводам, — сказал ведущий автор работы, опубликованной в Nature Materials. — Но данное исследование является важным шагом в правильном направлении и даёт нам представление о том, как мы сможем достичь этого в ближайшие годы».

Свыше 40 лет физики не могли объяснить поведение «странных металлов», которые при сильном охлаждении вели себя не так, как обычные металлы. Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США.

Источник изображения: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Комплексное обоснование теории поведения странных металлов — металлов, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, — сделали руководитель проекта Аавишкар Патель (Aavishkar Patel) из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорке и физики Хаоя Гуо, Илья Эстерлис и Субир Сачдев из Гарвардского университета. Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе.

Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов.

«Ни одно из этих свойств по отдельности не объясняет странности “странных металлов”, но в совокупности всё становится на свои места», — пояснил глава проекта.

Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла. Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление растёт вместе с температурой, что и наблюдается на практике. Там где у обычных металлов происходит скачок при переходе от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с плавным увеличением сопротивления току.

Ключевым в новой теории стало то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, что раньше не рассматривалось для одного материала, а по отдельности это не приводит к странному поведению металлов. Тем самым учёные предлагают механизм по коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизвести сверхпроводимость в нужном месте с заданными целями, что может найти применение, например, в квантовых вычислителях. Когда вы можете на что-то влиять, это способно привести к желаемому результату.

«Бывают случаи, когда что-то хочет перейти в сверхпроводящее состояние, но не может этого сделать, поскольку сверхпроводимость блокируется другим конкурирующим состоянием, — говорит Патель. — Тогда можно задаться вопросом, не может ли присутствие этих неоднородностей разрушить эти другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить дорогу для сверхпроводимости открытой».

Учёные из Университета штата Пенсильвания разработали стекло LionGlass, которое выдерживает 10-кратные по сравнению с обычным стеклом нагрузки и производится со значительно сниженным уровнем выбросов углекислого газа. Будущее остекление может стать легче и прочнее, а также требовать меньших затрат на производство.

Источник изображения: Adrienne Berard/Penn State

Стекло сопровождает нашу цивилизацию около 5000 лет. Оно везде, начиная от оконных стёкол и заканчивая посудой. Традиционно стекло производится при плавлении смести из кварцевого песка, кальцинированной соды и известняка. Температура плавления смеси достигает 1500 °C, что сопровождается огромным потреблением энергии и сопутствующим выбросом CO₂, а также повышенным износом оборудования — печей и оснастки. Кроме того, в процессе химической реакции образования стекла выделяется очень много углекислого газа. Всё вместе делает выпуск стекла экологически малопривлекательным процессом.

Учёные заменили карбонаты в составе смеси на оксид алюминия и оксиды железа. Это сразу снизило температуру плавления смеси на 300–400 °C и позволило сократить потребление энергии для плавки на 30 %. Отсутствие карбонатов в смеси также сократило образование CO₂ в ходе химической реакции, что в совокупности позволяет говорить о сокращении выбросов углекислого газа при производстве стекла LionGlass на 50 % и даже сильнее.

Более того, испытание стекла LionGlass на твёрдость и растрескивание показали, что оно, как минимум, в 10 раз прочнее обычного стекла. Если по методу Виккерса обычное стекло начинает растрескиваться при нагрузке 100 граммов, то стекло LionGlass без повреждения выдержало нагрузку в 1 кг. У команды исследователей не было более тяжёлой нагрузки в составе измерительного комплекса, поэтому они не смогли определить предельную нагрузку для нового стекла.

Но даже этот результат обнадёживает. Для стекла микротрещины — это путь к быстрому разрушению. Десятикратное повышение прочности по этому показателю обещает сделать оконные стёкла и другие изделия из стекла заметно тоньше без ухудшения прочностных характеристик, а это ещё один путь к снижению затрат на производство.

Учёные подали заявку на получение патента на изобретение LionGlass. На следующем этапе они начнут искать партнёров для коммерциализации нового стекла. Параллельно они проводят эксперименты с проверкой LionGlass на устойчивость к различным условиям и химическим средам, что поможет определить сферу его применения.

Исследователи из Массачусетского технологического института превратили бетон в суперконденсатор с помощью одной простой добавки — сажи. Она добавляется в цемент в процессе замешивания бетона. После отвердевания получается углеродный электрод колоссальной площади, из которого можно сделать суперконденсатор. Это позволит накапливать электрическую энергию в фундаменте, стенах и других конструкциях из бетона.

Источник изображения: MIT

Новая разработка может сделать накопитель энергии неотъемлемым элементом архитектуры. Главное, что это довольно просто, хотя вопросы изготовления, эксплуатации и безопасности подобных накопителей — это пока чистый лист. Идея базируется на том, что в процессе замешивания раствора вода распределяет углеродный материал (сажу или что-то подобное) по объёму бетона в виде разветвлённых потоков от более широких к узким.

После застывания смеси в ней формируется токопроводящий электрод большой площади. Для превращения его в суперконденсатор необходимо два таких электрода, разделённых перегородкой или расстоянием. Также всё это изделие необходимо пропитать (погрузить) в обычный электролит, например, в раствор хлорида калия.

По подсчётам учёных, ёмкость такого элемента составит 10 кВт·ч для 43 м³ бетона. Это примерный объём бетона для среднего в США частного дома с подъездными дорожками и гаражами. Запасённой таким образом энергии может хватить на ночь обслуживания электричеством, что в дополнение к солнечной ферме на крыше может сделать получение энергии условно бесплатным мероприятием.

Одно из полезнейших свойств разработки — это её неограниченное масштабирование. В рамках испытаний авторы проекта создали небольшие суперконденсаторы размером с батарейки-таблетки диаметром 1 см и толщиной 1 мм, обеспечив им рабочее напряжение в 1 В. Объединив три таких суперконденсатора, они зажгли светодиод на 3 В. Теперь они постепенно увеличивают размеры элемента, продвигаясь от блока размером со стандартный автомобильный аккумулятор на 12 В к бетонному блоку на 45 м³ — он должен продемонстрировать возможность обеспечить питанием целый дом.

Учёные также обнаружили, что существует обратная зависимость между ёмкостью и прочностью материала: чем больше в нём углерода, тем больше энергии он вмещает, но бетон становится немного слабее. Это может оказаться полезным в тех областях, где бетон не служит элементом конструкции, и где его потенциал прочности не задействуется. Они установили, что для фундамента и структурных элементов ветряной турбины «золотой серединой» оказываются 10 % углеродного компонента в растворе.

Ещё одной потенциальной возможностью применения новых суперконденсаторов являются бетонные дороги, которые накапливают энергию устанавливаемых вдоль них солнечных панелей и передают её электромобилям при помощи электромагнитной индукции — аналогичным образом работает беспроводная зарядка мобильных телефонов. Подобные дороги разрабатываются в Германии и Нидерландах, но эти проекты предусматривают стандартные аккумуляторы.

На начальных этапах технология углеродно-цементных суперконденсаторов, уверены учёные, пригодится при строительстве изолированных домов, зданий и убежищ вдали от электросети. Решение предлагает большую гибкость: свойства суперконденсатора можно регулировать, изменяя соотношения компонентов в смеси. К примеру, в случаев автодорог потребуются высокие скорости зарядки и разрядки, тогда как в случае жилого дома есть целый день, чтобы достичь необходимого заряда. Наконец, этот многофункциональный материал может служить не только в качестве суперконденсатора — если подать на него электричество, он превратится в систему отопления.