В конце прошлой недели на китайской орбитальной станции завершён годичный эксперимент по тестированию в открытом космосе 407 образцов материалов. Эти испытания нужны для поиска устойчивых к условиям вакуума, космической радиации и перепадам температур широкого спектра материалов как конструктивных, так и технологических. Китай намерен быстро осваивать ближний и дальний космос, а делать это можно только с ясным представлением о подходящих материалах.

Полная конфигурация китайской орбитальной станции, включая телескоп (рендер). Источник изображения: CMSA

Специальный открытый контейнер с образцами был размещён за бортом китайской станции «Тяньгун» 8 марта 2023 года. 14 марта 2024 года роботизированный манипулятор захватил контейнер и переместил его в шлюз станции, откуда на следующий день тайконавты перенесли его в один из научных отсеков станции. В течение следующих недель образы будут извлечены, помечены и подготовлены для отправки на Землю учёным, чтобы те провели анализ материалов и сделали выводы.

В мае заполненный новыми образцами контейнер снова будет помещён за борт станции для проверки следующей партии образцов. Новые образцы были доставлены на борт станции в январе на грузовом корабле «Тяньчжоу-7». Сообщается, что среди прочих материалов в суровые условия космоса будут отправлены материалы для пассивного радиационного охлаждения, различные сочетания материалов на основе полиамидных волокон, материалы из оптических волокон и материалы из оптических плёнок. Китай уверенно движется к созданию базы постоянного присутствия на Луне и намерен чётко представлять из чего её можно строить, а из чего нельзя.

Портал Igor’s LAB провел исследование радиаторов некоторых СЖО и выяснил, что половина из представленных в выборке участников не соответствуют заявленным характеристикам. Применённые в них материалы отличаются от тех, которые указаны производителем на официальном сайте и в рекламе. Некоторые производители хитрят и вместо дорогих материалов используют более дешёвые. Чаще всего замена связана с рекламируемой в составе СЖО меди на медно-цинковый сплав, например латунь.

Источник изображений: Igor’s LAB

В своём восьмистраничном анализе редактор сайта Игорь Валлосек (Igor Wallossek) сообщил, что жалобы читателей пробудили у него интерес к исследованию радиаторов СЖО. Некоторые владельцы систем жидкостного охлаждения сообщили о засоряющихся каналах и трубках, других беспокоила необъяснимо проявляющаяся коррозия на металлических частях.

В выборку попали шесть радиаторов СЖО от различных производителей. Исследование показало, что в трёх из них производители используют вместо рекламируемых более дорогих материалов, более дешёвые. Для каждого отдельного случая Валлосек подготовил полноценный отчёт, в котором сравнивает заявленные тем или иным производителем материалы в составе радиатора и реальные характеристики.

Ниже представлен пример такого сравнения для радиатора Watercool Heatkiller Rad 120-S Black. Во втором столбце таблицы указаны заявленные производителем материалы для того или иного компонента СЖО. В третьем столбце — использующиеся на самом деле материалы.

Ниже представлены краткие выводы по каждому радиатору СЖО:

Alphacool NexXxoS ST30 Full Copper X-Flow 120mm

• настоящий медный радиатор;
• все заявленные характеристики материалов соответствуют фактическим;
• винты из мягкого материала.

Aqua Computer Airplex Radical 2/120, алюминиевые рёбра радиатора

• каналы из настоящей меди;
• все заявленные характеристики материалов соответствуют фактическим;
• честное предложение.

Bykski CR-RD120RC-TN-V2, 120-мм радиатор D30 V2, полностью медный

• каналы из латуни, а не меди;
• остатки флюса;
• нарушение ROHS — свинцовый припой;
• винты и отверстия для них из мягкого материала.

EK Water Blocks Quantum Surface P120M Black

• каналы из латуни, а не меди h90;
• качественная машинная обработка;
• остатки флюса;
• винты из мягкого материала.

Hardware Labs Black Ice Nemesis GTS – 120 XFlow

• полностью из латуни за исключением охлаждающих рёбер из меди (заявлены производителем);
• функциональные, но средние по качеству материалы;

Watercool Heatkiller Rad 120-S Black

• каналы из латуни, а не меди;
• хорошие винты и пайка.

Следует уточнить, что в рамках своего исследования Валлосек не тестировал производительность той или иной СЖО. Задача состояла лишь в сравнении заявленных и реально использующихся материалов в составе той или иной системы охлаждения.

В заключении Валлосек адресовал свои рекомендации не покупателям СЖО, а производителям. Он порекомендовал последним более ответственно и внимательно подходить к контролю качества продукции, не возлагая эти задачи на OEM-производителей. Он не стал прямо обвинять кого-либо в намеренной попытке введения в заблуждение покупателей и списал всё на невнимательность. Однако если после предупреждений производители ничего не поменяют, то они могут столкнуться уже с более серьёзной критикой. К слову, Валлосек решил расширить своё исследование и уже анонимно приобрёл ещё ряд СЖО от Corsair, Thermaltake, а также менее известных брендов и OEM-производителей.

Группа химиков нашла новый класс материалов, который поможет ускорить разработку мультивалентных металл-ионных аккумуляторов. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, новые накопители энергии будут безопаснее в эксплуатации и значительно дешевле. Вместо дефицитного лития в них будут использоваться соединения магния, цинка и даже алюминия.

Руководитель проекта Кабанов Артем. Источник изображения: Зарина Беркимбаева, СамГТУ.

Проектом руководил Артём Кабанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) СамГТУ. Помимо исследователей из Самарского государственного технического университета поиском занимались учёные из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва), Самарского государственного медицинского университета (Самара) и Фрайбергской горной академии (Германия). Работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Использование в качестве альтернативы литию магний-, цинк- или алюминий-ионных соединений серьёзно снизило бы удельную стоимости хранения энергии. Это подтолкнуло бы в развитии, как электротранспорт, так и область возобновляемой энергетики. Но пока разработка металл-ионных аккумуляторов сдерживается отсутствием ключевых элементов таких батарей — электродов и электролитов с высокой ионной проводимостью. Именно такие перспективные соединения искала группа Кабанова.

Учёные из СамГТУ вместе с коллегами проанализировали свыше 1,5 тысячи химических соединений. Исследуемые материалы были пропущены через систему теоретических фильтров по принципу «от простого к сложному». «Для каждого соединения химики рассчитали характеристики свободного кристаллического пространства, энергию активации диффузии ионов, коэффициент диффузии и проводимость. В итоге они отобрали 16 соединений, которые могут быть эффективными ионными проводниками», — сказано в пресс-релизе СамГТУ.

Среди отобранных соединений был выявлен новый класс кристаллических материалов, которые обладают особенно высокой катионной проводимостью. Эти вещества относятся к структурному классу La₃CuSiS₇, и их ионная проводимость в 10–100 раз выше аналогов.

«Результаты нашей работы помогут ускорить разработку аккумуляторов нового поколения. С помощью теоретических методов мы смогли найти новые перспективные материалы. Наша следующая цель — синтезировать и экспериментально подтвердить характеристики найденных веществ, после чего можно будет собрать прототип аккумулятора», — говорят исследователи.

Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) вместе коллегами из Токийского технологического института обнаружили удивительное явление. Кратковременное воздействие фемтосекундным лазером на теллуритовое стекло превращало его в полупроводник, чувствительный к свету. Тем самым можно производить фоточувствительные стёкла без каких-либо дополнительных материалов и усилий, что учёные в шутку сравнили с алхимией.

Источник изображения: EPFL

«Это фантастика, мы на месте превращаем стекло в полупроводник с помощью света, — сказал один из авторов исследования Ив Беллуар (Yves Bellouard). — По сути, мы превращаем материалы во что-то другое, возможно, приближаясь к мечте алхимика».

Учёных заинтересовало поведение атомов в теллуритовом стекле (TeO₂) при воздействии на него сверхбыстрых импульсов высокоэнергетического лазерного излучения. Они обнаружили, что лазер в месте падения луча создаёт в толще стекла крошечные кристаллы полупроводниковых материалов теллура и оксида теллура. Это означает, что обработанные таким образом участки могут вырабатывать электричество под воздействием дневного света.

«Интересный поворот в этой технологии заключается в том, что в процессе не требуется никаких дополнительных материалов. Всё, что вам нужно — это теллуритовое стекло и фемтосекундный лазер для создания активного фотопроводящего материала», — добавил учёный.

В ходе эксперимента на полученный из Японии 1-см диск теллуритового стекла лазером был нанесён штриховой рисунок. Под воздействием света от ультрафиолетового и до видимого диапазона обработанный участок вырабатывал электрический ток, оставаясь месяцами стабильно работающим. Точно также на стекле можно создавать светочувствительные датчики и другие полупроводниковые схемы, используя для этого только источник лазерного света.

Рисунок можно наносить на месте на уже установленное стекло, превращая его в умное с необходимой функциональностью. Правда, обычные оконные стёкла для этого не подходят. Но если технологию подхватят производители, то это может привести к революции в архитектуре.

Для наращивания производительности чипов приходится уменьшать размеры транзисторов и искать новые материалы для их изготовления. Одно без другого не работает. И будет выгодно вдвойне, если какой-либо новый материал для производства передовых полупроводников окажется недорогим, неисчерпаемым и хорошо известным учёным и производственникам. Как выяснили учёные из США, таким материалом может быть обычный уголь.

Источник изображения: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign

Транзисторы прошли стадию дискретных элементов, интегрированных, планарных, с вертикальными затворами, с полностью окружёнными затворами и приближаются к наностраничным каналам, располагаемым горизонтально. На следующем этапе они станут двухэтажными, когда комплементарная пара будет сидеть друг у друга на голове. Примерно к 2035 году, вероятно, начнут появляться более-менее надёжные технологии массового производства транзисторов из двумерных материалов атомарной толщины. Однако появятся они только в том случае, если для них будет подготовлена база, включая спектр проводников, полупроводников и изоляторов.

Уголь в данной триаде может играть роль изолятора, как выяснили исследователи из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США (NETL). Почему уголь? Потому что его много. Реально много. Добыча, транспортировка, обработка и хранение угля отлажены как ничто другое. Сегодня практика сжигать уголь для получения энергии и тепла уходит в прошлое как пережиток эпохи расцвета индустриализации. Но разом отказаться от угледобывающей отрасли тоже нельзя, поскольку это будет серьёзным ударом по экономике, промышленности и социуму. Перевести этот ископаемый ресурс в статус высокотехнологического стало бы идеальным решением. Собственно для этого была поставлена соответствующая задача коллективу NETL.

Отдельный нюанс в том, что для чипов на двумерных материалах — графене, дисульфиде молибдена и других — традиционные изоляторы из оксидов металлов подходят плохо. Оксиды металлов имеют объёмную и потому неровную поверхность, и если их стыковать с 2D-материалами, то на границе раздела получится такой сложный рельеф, что электронам это точно не понравится. Часть тока будет рассеиваться на границе перехода. Другое дело уголь. Его аморфная структура позволяет создать превосходный изолирующий слой, который почти идеально ляжет на зеркальную гладь 2D-материала.

Предложенный учёными техпроцесс нанесения изолирующих плёнок из угля выглядит достаточно простым. Уголь измельчается в порошок, после чего с помощью жидкости превращается в суспензию. После осаждения происходит сушка и полировка. Выглядит несложно и доступно для массового производства. Собственно, последующие эксперименты с углём для замены изоляторов будут направлены преимущественно на разработку технологий для массового выпуска микросхем, о чём учёные рассказали в статье в журнале Communications Engineering.

Вишенкой на торте в этой новости стала информация, что в проект с углём вложилась компания TSMC. Тайваньский чипмейкер надеется использовать эту технологию в будущих техпроцессах.

Для многих перспективных технологий и открытий необходимы переохлаждённые среды. Традиционно для этого используется жидкий гелий и его изотопы. Международная группа учёных во главе с китайскими исследователями нашла потенциальную замену гелию, который Китай вынужден импортировать на 94 %. Этой заменой может стать ещё неисследованная ранее разновидность сверхтекучего твёрдого тела на основе кобальта.

ИИ-генерация «сверхтекучее твёрдое тело». Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Сверхтекучие твёрдые тела (supersolid) ещё никто не пытался использовать в качестве рабочего тела криогенной установки. Учёные обнаружили, что изучаемый ими «квантовый магнитный» материал на основе кобальта оказался способным понижать температуры до уровня ниже 1 К. Но следует сделать оговорку, это стало возможным только после охлаждения экспериментальной системы до 4 К. Тем самым совсем от охлаждения гелием отказаться нельзя, но повысить эффективность рефрижераторов можно. Это тем более важно, что самыми сложными являются последние этапы при достижении областей вблизи абсолютного нуля.

Изучением свойств сверхтекучих твёрдых тел для целей охлаждения занимались учёные из специализированной лаборатории Китайской академии наук, Школы физики Бэйханского университета и Центра нейтронных наук Института Лауэ-Ланжевена во Франции.

«Это исследование показывает, что теоретически мы можем достигать чрезвычайно низких температур, не полагаясь на гелий», — говорят авторы работы, которая недавно была опубликована в ведущем научном журнале Nature.

Китай оказался зависим не только от гелия и его изотопов. Под санкции также попали поставки в Китай таких криогенных установок, как рефрижераторы растворения. Понемногу в Китае учатся сами производить такие системы. Например, осенью прошлого о разработке собственной версии рефрижератора растворения заявила компания Origin Quantum, о которой мы недавно писали в связи с выделением в облачный доступ 72-кубитового квантового компьютера Wukong. Но для работы этой установки нужны изотопы гелий-3 и гелий-4, что снова возвращает к зависимости Китая от гелия. Поэтому можно не сомневаться, что если тема охлаждения с помощью сверхтекучих твёрдых тел будет иметь отчётливую перспективу, то она будет разработана по максимуму.

Стратегия HP в отношении продажи и поддержки принтеров уже давно является предметом претензий от клиентов из-за жёсткой позиции компании в отношении расходных материалов сторонних производителей. Владельцы принтеров HP, использующие неоригинальные картриджи, регулярно могут столкнуться с ситуацией, когда их принтер блокируется и отказывается печатать. Всё дело в том, что эти клиенты — «плохая инвестиция» для HP.

Источник изображения: HP

Это лишь одно из бестактных высказываний, которые позволил себе генеральный директор HP Энрике Лорес (Enrique Lores) во время недавнего интервью телеканалу CNBC. Сначала вполне конструктивный разговор шёл о тенденциях рынка ПК и о влиянии на него искусственного интеллекта. Но после вопроса о коллективном иске, поданном против HP из-за её непреклонной политики в отношении расходных материалов для принтеров, Лорес заявил, что блокировкой принтеров при использовании неоригинальных картриджей HP защищает свою интеллектуальную собственность.

«Для нас важно защитить нашу интеллектуальную собственность. Существует много интеллектуальной собственности, которую мы встраиваем в картриджи с чернилами и в печатающие головки принтеров. И когда мы определяем картриджи, которые нарушают нашу интеллектуальную собственность, мы прекращаем работу принтера», — заявил Лорес.

Лорес уверен, что чернила сторонних производителей использовать нельзя, поскольку они не разработаны HP для её продуктов. В чём-то это обосновано — неоригинальные чернила сомнительного качества могут засорять печатающую головку. Но Лорес пошёл дальше — по его словам, картриджи сторонних производителей представляют угрозу безопасности. Он утверждает, что в них «могут внедряться вирусы», которые затем распространяют вредоносное ПО на принтер и, в конечном итоге, на компьютер пользователя.

По словам Лореса, HP стремится максимально упростить процесс печати, а картриджи сторонних производителей препятствуют этому стремлению. Комментируя претензию клиентов на искусственно завышенную стоимость чернил HP, Лорес откровенно заявил, что HP теряет деньги при продаже оборудования, а продажа чернил и других аксессуаров является частью бизнес-модели, при помощи которой HP получает прибыль.

«Мы объявили об этом несколько лет назад: нашей целью было сократить количество тех, кого мы называем “убыточными клиентами”, потому что каждый раз, когда клиент покупает принтер, для нас это инвестиция. Мы инвестируем в этого клиента, и, если он печатает недостаточно или не использует наши расходные материалы, это плохая инвестиция», — сказал Лорес.

Настоящая мотивация руководителя HP заключается в том, что компания стремится изменить саму модель взаимодействия с клиентом, стараясь внедрить «печать по подписке». Причём Лорес утверждает, что подобный подход должен «устранить препятствия для печати». Конечно, модель подписки может дать некоторые преимущества. Однако принуждение клиентов к переходу на неё может оказать обратный эффект, ведь клиенты голосуют своими кошельками, а альтернативы на рынке печатающих устройств имеются.

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».

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.