Сложнейший минерал и очистка воды квантами: что придумала Россия в ноябре

В ноябре российские учёные смогли синтезировать редчайший материал со сложной структурой, придумали, как защитить аккумуляторы от самовозгораний, очистили воду квантами, а также обнаружили новое физическое явление. Об этих и других достижениях отечественной науки далее в статье.

💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.

Синтезировали аналог самого сложного минерала на Земле

💡 Простыми словами

Группа кристаллографов из Санкт-Петербурга смогла синтезировать в лаборатории аналог самого сложного со структурной точки зрения минерала Земли — юингита. Данный минерал был обнаружен в середине 2010-х годов в выработанной урановой шахте Плавно, расположенной в Чешской Республике. Основу его кристаллической структуры составляют нанокластеры из атомов урана и карбонатных групп. Из-за специфических термодинамических условий, необходимых для его образования, минерал считается очень редким. Даже несмотря на значительный опыт человечества в синтезе кристаллических структур, для воссоздания в лаборатории этого уникального творения природы понадобилось полтора года.

Кроме фундаментального научного интереса, данное исследование представляет и вполне практическую ценность, поскольку даже на выработанных месторождениях вроде шахты Плавно остаётся значительное количество урана в рассеянной форме. Поняв механизм вторичного минералообразования (перекристаллизации), в результате которого образуется юингит, можно будет контролировать процессы выноса урана в окружающую среду.

👨‍🔬 Детально

Исследователи смогли получить синтетический аналог, близкий по составу и кристаллической структуре к природному юингиту, путём сочетания низкотемпературного гидротермального синтеза и испарения при комнатной температуре. Соединение, полученное исследователями в лаборатории, всё-таки немного отличается по составу от природного. Так, в структуре минерала уран-карбонатные кластеры связываются через атомы магния и кальция, а синтетическое соединение содержит только кальций. Однако это никак не сказывается на принципе упаковки нанокластеров в кристаллической структуре. Также, по словам учёных, устойчивость природного минерала несколько выше, чем у синтетического соединения. Тем не менее синтетическую фазу можно рассматривать как первичный и метастабильный продукт реакции, который в условиях окружающей среды в дальнейшем сможет перекристаллизоваться в более устойчивую форму минерала.

Придумали слой из полимера, который защитит аккумуляторы от самовозгорания

💡 Простыми словами

Литий-ионные батареи используются везде: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей. Однако их безопасность вызывает вопросы, так как в них сочетаются активные окислители, восстановители и органические электролиты. Сколько раз у Samsung’ов взорвались батареи в этом году? Возгорания происходят из-за теплового разгона батареи — резкого повышения температуры аккумулятора в аварийных режимах работы. Инициатором могут быть такие нежелательные явления, как перезаряд (состояние, когда аккумулятор имеет напряжение, превышающее предельное значение, в основном из-за неисправности зарядных устройств) и переразряд (когда аккумулятор имеет напряжение ниже минимума из-за неисправностей микросхем устройства, в котором он установлен), а также и механическое повреждение.

Учёные из Санкт-Петербурга разработали новый тип защитного слоя для литий-ионных батарей, который снижает тепловыделение при аварийном режиме работы и тем самым препятствует взрыву аккумулятора. Механизм его работы основан на способности синтезированного ими полимера переключаться между двумя фазами — проводящей и изолирующей — при переразряде или резком скачке температуры. При этом материал при нанесении на аккумуляторы практически не влияет на их заряд или разряд при нормальных условиях. Инновационная разработка позволит снизить риски самовозгораний электроники, а также травм и аварий в быту и на производствах. При этом технология может применяться как для аккумуляторов малых размеров, так и для мощных промышленных. Материал также может значительно улучшить защиту от короткого замыкания для элементов с высоковольтными материалами, например, в электромобилях.

Создали пневматические мышцы для роботов

Уже длительное время во многих сферах деятельности актуальность набирают робототехника и машиностроение. Современные научные исследования направлены на создание качественных искусственных мышц. Студенты факультета мехатроники и автоматизации из Новосибирска нашли чертежи французского художника, который выложил в открытый доступ 3D-модели деталей робота гуманоидного типа в человеческий рост — 175 см. Они переработали некоторые детали, а вместо электромоторов, указанных в оригинале, использовали пневматику.

Искусственные мышцы работают при помощи пневматики за счет разности в давлении газов, а также упругого растяжения. Компрессор качает воздух, распределяя его по мышцам, которые приводятся в движение. По словам самих разработчиков, это можно сравнить с надуванием воздушного шарика. Это необычный подход в создании подобных устройств. Кроме того, устройство вышло очень простым в сборке, с которой должны справиться даже школьники. Роботов с пневматическими мышцами можно будет использовать как платформу для обучения робототехнике, основам механики и пневматики.

Обнаружили новое физическое явление, с помощью которого можно управлять свойствами алмазов

💡 Простыми словами

Алмаз — это одна из форм углерода, самый твердый материал на планете. Эти камни ценятся не только в ювелирном деле, но и используются в науке и технике. Так, из алмазов делают хирургические инструменты, сверла, резаки и прочие приспособления для обработки различных материалов, в том числе металлов. Кристаллы алмаза используются в качестве основных компонент квантовых компьютеров, как покрытие для экранов смартфонов, а еще в различных датчиках, например, температуры и газов. Чтобы создать какое-либо устройство на основе алмаза, ему надо придать определенную трёхмерную структуру, а также обработать поверхность. Сейчас на алмазы наносят узоры при помощи лазера с погрешностью до нескольких нанометров, что соответствует требованиям микроэлектроники. Под действием излучения с поверхности материала испаряется его верхний слой, что создает нужный рельеф, — этот процесс называется лазерной абляцией.

Излучение, которым обрабатывают кристалл, поляризовано, то есть представляет собой электромагнитные волны, колебания которых наблюдаются только в одной определенной плоскости. Это делает свет от лазера непохожим на солнечный, который распространяется во всех направлениях сразу. Московские учёные обнаружили новое физическое явление, благодаря которому можно управлять поляризацией и абляцией. При этом метод получился простой и доступный. Требуется всего лишь полуволновая пластинка, которая есть в любой оптической лаборатории. Новое физическое явление, имеющее также огромное значение для фотохимии, физики поверхности и материаловедения, позволит создавать новые оптические устройства на основе алмазов с меньшими затратами.

👨‍🔬 Детально

Учёные облучали кристаллы алмаза лазерными импульсами продолжительностью менее миллиардной доли секунды. Поляризацию излучения меняли — его пропускали через специальную полуволновую пластинку, при повороте которой изменялась плоскость колебания волн. В результате лазерной обработки на поверхности кристалла появились углубления, структуру и размер которых авторы оценивали с помощью электронного микроскопа. Затем по величине получившихся кратеров рассчитывали пороговую энергию абляции — величину, описывающую то, насколько интенсивно алмаз испарялся с поверхности, что важно знать при его обработке. Оказалось, что пороговая энергия абляции изменялась в зависимости от поляризации лазера. Соответственно, устанавливая пластинку определенным образом, можно управлять процессом испарения алмаза с поверхности. Так, удалось варьировать радиус кратеров приблизительно от 0,5 до 1,4 микрометра, то есть кратеры могли отличаться по размеру почти в три раза.

Очистили воду с помощью квантовых точек и золота

💡 Простыми словами

Отравление тяжёлыми металлами в городах, расположенных близко к химическим заводам, — не редкость. И оно часто приводит к летальным исходам. При этом бороться с проблемой достаточно трудно, так как ионы тяжелых металлов бесцветны, хорошо растворимы в воде и практически неуязвимы. Графен лежит в основе самых передовых прикладных разработок. Именно из него делаются современные мембранные фильтры для эффективной очистки воды. Однако у него есть один недостаток: отсутствует запрещенная зона — расстояние между зоной проводимости и валентной зоной. Материал не может люминесцировать, что необходимо для обнаружения тяжелых металлов в воде. Кстати, поэтому же графен не может стать полноценным материалом для оптоэлектроники, в отличие от кремния.

Частично с этой проблемой справились, когда в лёгком пористом композите металл-графена российские учёные вместе с зарубежными коллегами равномерно распределили графеновые квантовые точки и наночастицы золота, синергизм которых обеспечил наилучшие свойства для одновременного мониторинга и очистки воды. Полученные композиты могут быть также полезны для оптоэлектроники, доставки лекарств, терапии рака, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды.

👨‍🔬 Детально

Квантовая точка — субатомный фрагмент проводника, носителя заряда электрона. Создать их довольно нелегко даже из макроформ углерода, а уж тем более из двумерной структуры графена. Ученые из Тайваньского национального университета науки и технологий развили плазменную технологию и научились получать графеновые квантовые точки без использования токсичных химикатов и высоких температур. Изучив их с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения, они убедились, что получили графеновые квантовые точки сферической формы с диаметром 4,6 и 6,3 нанометра.

Российским учёным удалось исследовать их свойства методом резонансного комбинационного рассеяния света. Знание точных характеристик материала, а также величины запрещенной зоны, позволило создать композит из квантовых точек и наночастиц золота и применить его в различных фильтрах, используемых как для очистки воды от примесей, так и для определения белков в крови. Белок связывается с наночастицами золота, и при возбуждении энергия передается на графеновые квантовые точки, которые эффективно люминесцируют, позволяя четко отслеживать их число и взаимодействие. Таким образом, квантовые точки работают как сенсоры, просто и эффективно

Начали создание 3D-реконструкций объектов культурного наследия

Сохранение исторического и культурного наследия – важная задача современности, решить которую призваны в том числе технологии 3D-реконструкции и объёмного компьютерного зрения. Согласно данным ЮНЕСКО, по всему миру насчитывается 1154 объекта культурного наследия из 167 стран. 52 из них официально находятся под угрозой. Имея в распоряжении технологию 3D-реконструкции, человечество может использовать её для сохранения памятников культурного наследия и обеспечить будущим поколениям возможность ознакомиться с цифровой копией памятника даже в случае его утраты. Цифровые двойники исторических и культурных монументов делают их доступным для людей, которые не могут посетить их самостоятельно, а также способствуют появлению новых образовательных практик (создание игр, квестов и так далее).

Объединённая команда Сколтеха, Института искусственного интеллекта AIRI и Государственного исторического музея объявила о старте проекта по созданию цифровых 3D-копий наиболее интересных объектов в Храме Василия Блаженного. Для съемки небольших объектов используется ручной сканер структурированного света, а также установка с различными видами камер для очень точной и детальной макросъемки. Внутренние помещения (особенно те, которым свет вспышек может нанести вред) считывают лазерными сканерами (ими фиксируется геометрия объектов) и специальными фотокамерами (которыми делают снимки для детальной реконструкции и наложения текстур). Для сканирования крупных объектов (соборы, храмы) используют оборудованные датчиками дроны. При обработке всех полученных данных используется система искусственного интеллекта.

Ускорили пучок тяжёлых ионов на отечественном коллайдере NICA

💡 Простыми словами

В ходе четвёртого цикла пусконаладочных работ на инжекционном комплексе NICA в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, который стартовал 20 сентября, учёные наконец добрались до самого важного этапа. Впервые установку использовали для разгона тяжёлых ионов. Отечественные специалисты отметили, что настолько тяжёлые ионы в настоящее время больше не ускоряются до релятивистских энергий ни в одном научном центре.

👨‍🔬 Детально

В ходе сеанса впервые реализована работа комплекса ускорителей тяжелых ионов в полном составе, включая источник ионов электронно-струнного типа, тяжелоионный линейный ускоритель, Бустер и Нуклотрон. Интенсивность пучка тяжелых ионов ксенона, ускоренного в Нуклотроне, составляет примерно 10 в седьмой степени частиц. Была также испытана прикладная станция СОЧИ на ионах аргона, которая на выведенном пучке в будущем будет вести облучение чипов. Проведена настройка источника ионов, линейного ускорителя и Бустера на ускорение ионов аргона и ксенона. Ионы ксенона после ускорения в Бустере перезаряжены до состояния голых ядер, инжектированы в Нуклотрон, получена устойчивая циркуляция пучка, ускоренного до энергии около 3 ГэВ/нуклон.