Открытие сверхпроводимости при комнатных условиях стало громом среди ясного неба и его подтверждение независимыми группами изменит наш мир. В своей массе учёные пока не готовы с этим согласиться, настолько длительным и трудным был и остаётся научный путь к передаче энергии без потерь. Опрос изданием New Scientist профильных специалистов показал, что большинство исследователей встретило новость со скептицизмом.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

В своём интервью изданию один из авторов открытия — южнокорейский учёный Хьюн-Так Ким (Hyun-Tak Kim) из Колледжа Уильяма и Мэри в Вирджинии — сказал, что одна из размещённых на сайте arXiv статей (их там две по теме открытия) выложена без его ведома и содержит «много дефектов». Вероятно, речь идёт об этой статье, тогда как учёный участвовал в написании этой статьи. Статья за авторством Хьюн-Так Кима проходит этап рецензирования и движется к печати в одном из ведущих научных журналов мира. Вскоре это произойдёт.

В открытии материала LK-99 (буква K в его названии — это первая буква фамилии учёного, а цифра — год первого открытия материала) сыграли роль как многочисленные эксперименты, так и случайно сделанное наблюдение. Для области сверхпроводящих материалов — это норма, поскольку учёные в этой сфере во многом полагаются на удачу. Поймала ли группа Кима удачу за хвост, или нет, мы узнаем довольно быстро после полноценной публикации статьи об исследовании. Учёный обещает помочь советами любой группе, которая попытается повторить условия его эксперимента.

На самом деле, процесс создания чудо-материала очень простой. Как, возможно, напишут через десять лет в методичках для лабораторных работ по физике для 7-го класса, для получения материала необходимо смешать порошки сульфата и оксида свинца и нагреть эту смесь на воздухе до образования ланаркита. В отдельной посуде смешиваем медь и порошок фосфора и нагреваем в вакууме до образования кристаллов. Затем соединяем измельчённые кристаллы и ланаркит с последующим нагревом в вакууме. В результате получается соединение, которое парит над магнитом при комнатной температуре, что воспроизводит эффект Мейсснера (видео по ссылке).

Скептики отметили, что образец материала толщиной чуть больше миллиметра левитирует как-то однобоко, одним концом касаясь поверхности магнита. На это учёный заметил, что чистота образца оставляет желать лучшего и это можно исправить.

Измерение токовых характеристик LK-99 образца показало, что его удельное сопротивление резко падает почти до нуля при температуре 30 °С. По мере роста к критическому значению температуры 127 °С, после которого эффект сверхпроводимости прекращает своё действие, сопротивление увеличивается до заметного уже к 105 °С. Так что совсем без охлаждения новая сверхпроводимость не обойдётся. По крайней мере, на открытом воздухе для её поддержания потребуется система кондиционирования. С летающими досками как в фильме «Назад в будущее» придётся подождать, но для комнатных применений особых преград нет.

Опрошенные изданием Сюзанна Спеллер (Susannah Speller) и Крис Гровенор (Chris Grovenor) из Оксфордского университета утверждают, что когда материал становится сверхпроводящим, это должно быть чётко выражено в ряде измерений. По словам Спеллер, в опубликованных материалах она не увидела убедительных данных по изменению характеристик материала в магнитном поле и данных по изменению его теплоёмкости. «Поэтому пока рано говорить о том, что нам представлены убедительные доказательства сверхпроводимости в этих образцах», — резюмировала она (но старый свинцовый аккумулятор в утиль пока решила не сдавать, шутка).

Другие эксперты, с которыми консультировался New Scientist, также скептически отнеслись к результатам и полученным данным. Некоторые из них высказали опасение, что часть результатов может быть объяснена ошибками в экспериментальной процедуре в сочетании с несовершенством образца LK-99. Также учёные ставят под сомнение теоретическое обоснование явления, сделанное группой Кима.

«По словам Кима, он знает о скептическом отношении, но считает, что другие исследователи должны попытаться повторить работу его группы, чтобы решить этот вопрос. Как только результаты исследования будут опубликованы в рецензируемом журнале, что, по словам Кима, находится в процессе, он окажет поддержку всем, кто захочет самостоятельно создать и испытать LK-99. Пока же он и его коллеги продолжат работу над совершенствованием своих образцов предполагаемого чудо-сверхпроводника и перейдут к его серийному производству», — завершает статью источник.

Группа учёных во главе со специалистами из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) открыла способ радикального улучшения ферроэлектрических материалов. Принудительный ввод протонов в ферроэлектрические плёнки кратно увеличил разнообразие фаз поляризации в материале. На этой основе можно создать высокоплотную компьютерную память и нейроморфные процессоры.

Насыщение ферроэлектрика протонами в представлении художника. Источник изображений: KAUST; Fei Xue

Для своих экспериментов учёные взяли селенид индия, который, как и все ферроэлектрики, имеет естественную поляризацию и может менять её под воздействием магнитного поля. Эта особенность делает такие материалы привлекательными для разработки компьютерной памяти и коммутаторов (транзисторов). Но есть и ограничения — ячейки такой памяти довольно большие по объёму материала и площади, что делает такую память менее плотной.

Одно из ограничений для наращивания плотности записи ферроэлектрической памяти заключается в ограничении образования поляризационных фаз, а также со сложностью их регистрации (считывания). Учёные KAUST обошли это препятствие с помощью протонирования селенида индия или благодаря насыщению его протонами.

Для эксперимента плёнка из селенида индия была помещена на слой пористого кремния. Кремний, в свою очередь, покоился на изолирующем слое из оксида алюминия, а алюминий был нанесён на слой платины, которая играла роль одного из электродов. В этой схеме кремний работал как электролит, который доставлял протоны в плёнку селенида индия после подачи напряжения на электроды. В зависимости от полярности протоны либо мигрировали в плёнку ферроэлетктрика, либо выводились из неё.

Исследователи постепенно вводили и выводили протоны из ферроэлектрической пленки, изменяя приложенное напряжение. В результате было получено несколько ферроэлектрических фаз с различной степенью протонирования, что очень важно для реализации многоуровневых устройств памяти с большой ёмкостью. Повышение положительного напряжения усиливало протонирование, а повышение отрицательного напряжения значительно снижало его уровень.

Экспериментальная установка

Также уровень насыщения протонами ферроэлектрика изменялся в зависимости от близости слоя плёнки к кремнию. Он достигал максимальных значений в нижнем слое, контактирующем с кремнием, и затем поэтапно снижался, достигая минимальных значений в верхнем слое. Сюрпризом стало то, что снятие напряжение вывело все протоны из материала и он вернулся в исходное состояние. Для энергонезависимых приборов это минус. Но в целом открытие обещает оказаться интересным — учёные смогли изменять электрические состояния материала при напряжении менее 0,4 В. Для малопотребляющей электроники — это крайне важно.

«Мы намерены разработать ферроэлектрические нейроморфные вычислительные чипы, которые будут потреблять меньше энергии и работать быстрее», — заявили учёные в статье, которую опубликовал журнал Science Advances.

Наблюдение за пластинкой платины в вакууме с помощью электронного микроскопа, который сканировал объект 200 раз в секунду, показало, как возникающие после деформации трещины в металле зарастают сами собой без каких-либо внешних воздействий на металл. Открытие ошеломило учёных, поскольку такого ещё никто не видел. Если заживление трещин воспроизведут на воздухе, это изменит наш мир, в котором усталость металла — это аварии и бесконечные ремонты.

Красным показано направление деформации, а зелёным — зажившая трещина. Источник изображения: Sandia National Laboratories

Открытие сделала группа учёных из Национальных лабораторий Сандия и Техасского университета A&M. Они проверяли устойчивость металла к деформирующим нагрузкам на растяжение — одной из распространённых причин усталости металла, когда он идёт трещинами и в итоге разрушается. При этом кусочек подвешенной в вакууме платины толщиной 40 нм был под постоянным наблюдением просвечивающего электронного микроскопа с частотой сканирования 200 раз в секунду.

Как же удивились учёные, когда примерно через 40 минут наблюдений трещина в платине начала срастаться и затягиваться, а затем снова пошла в другом направлении.

«Это было совершенно потрясающе наблюдать воочию, — сказал один из авторов исследования, которое теперь опубликовано в Nature. — Мы, конечно, этого не ожидали. Мы подтвердили, что металлы обладают собственной естественной способностью к самовосстановлению, по крайней мере, в случае усталостного повреждения на наноуровне».

В принципе, мы давно применяем так называемую холодную сварку, но она требует давления, трения или удара. В данном случае материал трещины сошёлся на уровне кристаллической решётки сам без давления или плавления. Возможно, этому способствовало нахождение образца в вакууме, где ничто не могло загрязнить края трещины и препятствовать сближению атомов металла до начала слипания. Учёные намерены повторить эксперимент на воздухе и оценить масштабы, на которых процесс «заживления» продолжает работать. Возможно, учёные смогут найти условия, при которых металлы смогут заживлять трещины самостоятельно или при минимальном воздействии на них со стороны. По крайней мере, на это теперь есть надежда.

В Курчатовском институте создали новый класс материалов на базе кремния и германия, который может стать базой для создания устройств наноэлектроники и спинтроники. Это слоистые структуры из атомарно тонких плёнок наподобие графена, только из кремния и германия. Причём производство из этих материалов можно наладить с использованием существующей промышленной инфраструктуры и установок.

Источник изображения: Курчатовский институт

Свойства новых материалов зависят от количества монослоёв. Производство слоистых структур стало возможным благодаря разработке оригинального метода синтеза с использованием прекурсоров на основе силицена и германена (это кремниевые и германиевые плёнки толщиной в один атом кремния и германия соответственно). Материалы показали широкий спектр свойств от магнетизма с высокой подвижностью носителей заряда до сверхпроводимости.

Традиционный кремний, очевидно, подходит к своему технологическому пределу в микроэлектронике. Вместо управления токами в игру вступают квантовые эффекты, например, туннелирование электронов, что делает работу измельчавших транзисторов непредсказуемой. Для дальнейшего развития отрасли нужны новые материалы и крайне хотелось бы сохранить при этом производственную базу как можно в большем объёме. Использование в основе новых материалов привычных кремния и германия обещает как первое, так и второе.

Интеграция слоистых структур с полупроводниковой платформой обеспечивается при использовании в качестве реагентов кремниевых и германиевых подложек, а в качестве прекурсора в первом случае применяется силицен, а во втором — германен.

«Наш подход позволил создать целые классы новых материалов, обладающих различными функциональными свойствами», — сообщил руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Андрей Токмачёв.

В частности, тонкоплёночный материал SrAlSi на кремниевой подложке демонстрирует сверхпроводящие свойства даже при толщине в несколько монослоёв. Транспортные и магнитные измерения позволили обнаружить переход от трёхмерной сверхпроводимости к двумерной. Материалы EuAl₂Ge₂ и SrAl₂Ge₂ интересны в первую очередь высокой подвижностью носителей заряда. Подчеркнём, что до недавнего времени высокая подвижность носителей и магнетизм считались взаимоисключающими свойствами, но слоистая структура EuAl₂Ge₂ обеспечила возможность для их совмещения в одном материале.

«На наш взгляд, сверхпроводимость и магнетизм этих материалов позволяют существенно расширить возможности при создании устройств наноэлектроники», — прокомментировал это открытие Андрей Токмачёв.

Добавим, статьи по результатам работы учёных удостоились публикаций в высокорейтинговых научных журналах Small и Journal of Materials Science & Technology.

В интервью «Интерфаксу» вице-премьер, министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров сказал, что ожидает полного импортозамещения по литию в России к 2025 году. Эксперты считают более вероятным, что заместить импортное литиевое сырьё получится ближе к 2030 году, хотя в условиях санкций процессы действительно могут ускориться. В любом случае через несколько лет Россия будет иметь полный цикл избыточного производства лития от добычи до очистки.

Пример продукции «РЭНЕРА». Источник изображения: «Росатом»

С прошлого года перерабатывающие предприятия в России получают лишь около 30 % от необходимого объёма литиевого сырья. Основными поставщиками литиевого сырья (карбоната лития) были Чили (50 %), Аргентина (35 %) и Китай (12 %). Первые две страны отменили поставки из-за введённых в 2022 году санкций против России. Китай продолжает поставки, но сам испытывает дефицит этого сырья и, как минимум, не может увеличить объёмы отгрузки. Кроме Китая литиевое сырьё в Россию поставляет Боливия и сегодня, по-видимому, это основной поставщик этого материала.

Литий нужен для производства аккумуляторов для электромобилей и для выпуска электроники. Но в основном он расходуется на батареи для электромобилей, парк которых растёт не по дням, а по часам. На данный момент в России необходимые месторождения не разрабатываются, и это упущение власти надеются ликвидировать со всей возможной скоростью.

По словам Мантурова, в текущем году может начаться опытно-промышленная отработка техногенных отвалов Завитинского литиевого месторождения в Забайкальском крае. Другие проекты ожидают своей реализации на Талангуйской перспективной площади в Забайкалье и на Ярактинском нефтегазоконденсатном месторождении. Нынешнее заявление о полном импортозамещении литиевого сырья российским к 2025 году отличается от предыдущих высказываний представителей властей.

Так, в апреле директор департамента металлургии Минпромторга Владислав Васильев говорил журналистам, что закрыть потребности России в литии за счёт организации его производства внутри страны планируется к 2030 г. Как пояснили «Ведомости», он уточнял, что к 2026 г. планируется запустить первый проект по производству литиевого сырья, но к этому времени «еще импортонезависимости не будет» — она будет достигнута через три года после этого.

Стратегия развития металлургической промышленности РФ до 2030 года предполагает, что потребности России в литии должны быть обеспечены за счет добычи в 2023–2030 годах на Колмозерском («Полярный литий» — СП «Норникеля» и «Росатома»), Полмостундровском (разработчики — «ТД Халмек» и Химико-металлургический завод), Ковыктинском («Газпром»), Ярактинском (Иркутская нефтяная компания) и Завитинском месторождениях.

Месторождение Колмозерское в Мурманской области может считаться крупнейшим в России по запасам лития — до 75 млн т. Осваивать его будет «Полярный литий», который заплатил за это 1,7 млрд руб. Объект ежегодно будет выдавать 45 тыс. т карбоната и гидроксида лития, но выход на проектную мощность ожидается не ранее 2030 года. На Полмостундровском месторождении тоже в Мурманской области опытно-промышленная эксплуатация начнётся в этом году с добычи 1000 т карбоната лития в год. К 2026 году объёмы будут увеличены до 20 тыс. т в год. Всего потребности России в литии к 2030 году оцениваются в 85 тыс. т в год.

Переработкой литиевого сырья в чистый металл занимаются такие предприятия, как Химико-металлургический завод в Красноярске, Новосибирский завод химических концентратов (входит в «Росатом») и «Халмек» в Тульской области. Продукция в основном производилась на экспорт. Для потребления лития внутри России в Калининградской области структура «Росатома» «Рэнера» (входит в АО ТВЭЛ) собирается строить завод для производства литиевых аккумуляторных ячеек по южнокорейским технологиям. Завод будет потреблять около 3000–4000 т сырья в год в пересчёте на карбонат лития. До санкций Россия ежегодно завозила до 7500 т карбоната лития. Возможно, к 2025 году потребности калининградского завода действительно закроют отечественным сырьём.

С учётом планов реализации электромобилей потребность России в литии к 2030 году может достичь 30–50 тыс. т в год. Ещё 10 % спроса добавит производство электроники. Во всём мире спрос на литий будет просто огромный, что оставит пространство для продажи излишков за рубеж — в основном в Китай и страны Юго-Восточной Азии.

Основа микроэлектроники — кремний — может продолжить жизнь в эпоху квантовых компьютеров, заявили учёные из США. Для этого они получили новый материал из аморфного кремния, который назвали Q-кремний. Необычной особенностью Q-кремний стала намагниченность при комнатной температуре, что открывает путь к использованию в электронике спинов электронов вместо зарядов.

Источник изображения: Pixabay

Открытие сделали учёные из Университета штата Северная Каролина (NCSU). Они облучали обычный аморфный кремний короткими (наносекундными), но мощными лазерными импульсами. Кремний плавился и быстро подвергался охлаждению. После такой процедуры «закаливания» получался материал с нетипичными для кремния свойствами — он начинал магнититься без приложения внешнего магнитного поля. Иначе говоря, кремний превращался в ферромагнетик при комнатной температуре.

Подобное свойство может помочь объединить в одном кремниевом чипе обычные электронные цепи и цепи, построенные на работе с магнитным моментом электрона. Это молодой раздел электроники, и он называется спинтроника. К преимуществам спинтроники можно отнести высочайшую энергоэффективность, поскольку цепи оперируют не токами с их высокими потерями мощности, которая рассеивается теплом, а спинами электронов. Также спинтроника обещает лечь в основу квантовых компьютеров, которые используют магнитный момент электрона как кубит.

О своей работе учёные сообщили в журнале Material Research Letters. Принесёт ли Q-кремний практическую ценность или нет, это современной науке неизвестно. Будем надеяться, что открытие окажется полезным.

Исследователи из Университета Флиндерса (Австралия) создали новый недорогой полимер, который позволяет изготавливать линзы и объективы для приборов ночного видения. Открытие способно многое изменить в индустрии тепловизоров, а они нужны как для военного, так и гражданского применения.

Источник изображений: Advanced Optical Materials

Сегодня линзы и объективы для IR-камер изготавливают фрезеровкой из таких материалов, как германий и халькогенидные стёкла. Это длительная процедура и затратные материалы. Стоимость линз из германия может достигать тысячи долларов США. К тому же, халькогенидные стёкла обычно содержат такие токсичные вещества, как мышьяк или селен. Предложенный австралийцами полимер синтезируется из обычной серы и циклопентадиена — материалов, которые получаются при рядовой переработке и очистке нефти.

Как утверждают учёные, созданный ими пластик обладает самой большой прозрачностью для инфракрасных волн длинноволнового участка из обнаруженных сегодня материалов. Он позволяет не только защищать объективы инфракрасных камер, камуфлируя их и просто закрывая от пыли, но также способен преломлять лучи инфракрасного диапазона. Иначе говоря, из него простой штамповкой или литьём можно изготавливать линзы и, в конечном итоге, собирать их в объективы.

Разные варианты линз из нового полимера: увеличительная, уменьшающая и линза Френеля

Один грамм нового пластика стоит один цент. Цена на объективы из него будет копеечная, что позволит широко использовать IR-объективы в гражданских целях от машинного зрения до камер наблюдения и смартфонов, о чём авторы сообщили в статье в журнале Advanced Optical Materials.

Учёные впервые получили рентгеновское изображение одиночного атома, выделив его среди сотен тысяч других рядом с ним. Подобно обычным рентгеновским снимкам из поликлиники, индивидуальная рентгеновская картинка атома может многое рассказать о нём, а это выведет анализ материалов и веществ на невероятный уровень и способно самым сильным образом повлиять на нашу с вами жизнь.

Источник изображения: Saw-Wai Hla

Учёные достаточно давно научились получать изображения отдельных атомов с помощью электронно-силовой микроскопии, но распознать в них отдельные химические элементы и тем более узнавать об их химической активности — это оставалось далеко за пределами мечтаний. Новый метод позволяет не только узнать атом какого элемента мы обнаружили, но также даёт информацию о его взаимодействии с другими элементами и то, насколько оно сильное.

Чувствительность аналитических приборов к одиночным атомам невозможно переоценить. Это может перевернуть мир, считают разработчики метода. Исследователи в области материаловедения и биохимии смогут узнать об образцах абсолютно всё, что поможет в поиске лекарств и в создании материалов с массой удивительных свойств.

Изображение молекулы с единственным атомом железа

Работу по исследованию свойств одиночных атомов представили химики из Китая, США и Франции. Статья вышла в издании Nature. Для эксперимента использовался синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории. С его помощью проводился рентгеноструктурный анализ образцов и, собственно, отдельных атомов.

Современная наука дошла до того, что рентгеноструктурный анализ определяет химические свойства веществ при исследовании как минимум 10 000 атомов в образце. Новая методика улучшает детектирование на четыре порядка, что кажется просто невероятным. Тем не менее, в образцах с ионами железа и катионами тербия учёные смогли уверенно детектировать сигналы от отдельных атомов железа и тербия. Более того, они получили из сигнала информацию о степени химической активности каждого из атомов и то, насколько сильно они взаимодействовали с окружающими их атомами других веществ.

Слева изображение молекулы с единственным атомом железа, а справа кривая тока через детектор, обнаруживающая железо и его химическую активность

Процесс анализа выглядел следующим образом. К образцу подводили кончик тончайшего зонда детектора и вели им над материалом в такой близости, чтобы электроны могли туннелировать с атомов на детектор (это расстояние в пределах нанометра). Сами электроны или, точнее — фотоэлектроны, выбивались рентгеновским излучением из атомов в образце. Поскольку электроны выбивались из так называемых остовных или нижних уровней, то по пути к детектору они проходили сквозь верхние орбитали и фактически собирали информацию о химической активности конкретного атома и о самом атоме. Атомы железа и тербия были надёжно детектированы этим методом, но для практического внедрения, вероятно, дело дойдёт ещё не скоро.

Сегодня выработка электроэнергии сопровождается выбросом огромного количества тепла в окружающее пространство. Заманчиво обернуть эти потери себе на пользу, но современные технологии предлагают решения с очень низкой эффективностью — всего лишь единицы процентов. В США учёные создали метаматериал, который сулит значительное повышение эффективности такого преобразования.

Наностолбцы на кремнии под электронным микроскопом. Источник изображения: Advanced Materials

Термоэлектрический эффект — появление разности потенциалов на концах двух последовательно соединённых разнородных проводников при условии наличия разницы в температуре между обоими — двести лет назад открыл физик Томас Зеебек (Thomas Seebeck). Эффект назван его именем. Для эффективного преобразования тепла в электричество требуется, чтобы материал хорошо проводил электроны и плохо проводил тепло. Тогда на его концах будет большая разница температур и, как результат, высокий КПД. К сожалению, в природе такие материалы не встречаются. Если материал хорошо проводит ток, то он ровно так же хорошо будет проводить тепло, и наоборот.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали метаматериал, который хорошо проводит электроны и плохо проводит тепло. Следует сказать, что тепло в телах с твёрдой кристаллической решёткой передают квазичастицы фононы. И пусть они не настоящие частицы, но они точно так же подчинены корпускулярно-волновой теории — одновременно являются и частицами, и волной. Новый метаматериал использует волновые свойства фононов, чтобы повлиять на скорость их распространения в материале.

Структурно новый метаматериал представляет собой лист кремния, на котором выращивают нанокристаллы из нитрида галлия. Затем кремниевую подложку истончают до требуемой толщины. Получается следующее. Когда тепло передаётся от одного края листа до другого, оно передаётся также посредством наностолбцов. В столбиках возникают стоячие волны с периодом, значение которого диктует их форма — узкий столбец. Эти волны намного-намного короче волны фононов, которая свободно распространяется в кремнии. Оказалось, что стоячие волны в наностолбцах резонируют с волнами фононов в кремнии, заставляя фононы в кремнии подстраивать свою длину волны под «запертую».

Источник изображения: NIST

В результате эксперимента, о котором рассказано в журнале Advanced Materials, учёные смогли уменьшить теплопроводность кремния на 21 % без ухудшения его электропроводности. Физики надеются, что вскоре смогут представить решение с высокой скоростью преобразования тепла в электричество, что откроет путь к новым термоэлектрическим приборам или позволит создать более эффективные радиаторы для электроники.

Учёные из Института им. Макса Планка (MPI-P) исследовали микроструктуру твердотельных литиевых аккумуляторов, вдохновившись наблюдением за ростом сталактитов и сталагмитов в пещерах. Первые растут сверху, а вторые — снизу. Похожим образом в твердотельных батареях растут дендриты из металлического лития. Но прежде никто не изучал вопросы, на каком электроде начинается рост дендритов и что его к этому подталкивает и, главное, как этого избежать.

Поиски корней дендритов в электродах батарей. Источник изображения: Xue Zhang / MPI-P

Команда исследователей MPI-P из департамента Ганса-Юргена Бутта (Hans-Jürgen Butt) в деталях изучила атомное строение твердотельных электролитов и электродов от физического строения до карты распределения электронов в кристаллической решётке. В качестве основного инструмента использовался метод зондовой силовой микроскопии Кельвина (KPFM). Подход позволяет создать карту распределения зёрен кристаллов в поликристаллических материалах и отобразить межзёренные границы. Также KPFM даёт возможность измерить потенциалы на поверхности материала (оценить величину заряда).

Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода (на катоде) в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. При прохождении через такие скопления ионов лития (что происходит в момент зарядки и разрядки аккумуляторов) они захватывают электроны и восстанавливаются до металлического лития. На аноде такие процессы практически не наблюдались.

Тем самым стало абсолютно понятно, что «во всём виноват катод» и исследователям необходимо более пристально изучить его для подавления процессов роста игл дендритов, которые в процессе работы аккумулятора буквально протыкают его насквозь до возникновения короткого замыкания. Своими выводами учёные поделились в статье в журнале Nature Communications, которая свободна доступна по этой ссылке.

Следствием проделанной работы может стать появление намного более безопасных и долговечных батарей с твёрдым электролитом, которые будут невоспламеняемые и более энергоёмкие, чем привычные литиевые аккумуляторы с жидким электролитом.

Совместная работа учёных МФТИ, МИСИС и ИТМО позволила в деталях объяснить появление уникальных оптических свойств у кристаллов перовскита. Это один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники будущего, понимание основ работы с которым даёт базу для создания компонентов и решений с заданными свойствами. Работа исследователей опубликована в журнале Nano Letters и доступна по ссылке.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Ранее научные коллективы во всём мире сталкивались с тем, что оптические свойства перовскитов проявляли себя не всегда или с разным значением. Речь идёт о зависимости оптических свойств кристаллов перовскитов от выбранного направления, что называется анизотропией. Это необходимо учитывать для создания волноводов, поляризаторов, нанолазеров и других оптических приборов. В одних случаях на выращенных кристаллах анизотропия проявлялась, а в других отсутствовала. Российские учёные выяснили, в чём кроется проблема.

«Форма кристаллов перовскитов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными, то они не будут проявлять анизотропных свойств, а если они стали прямоугольными, то перовскит будут анизотропным. Это удобно — просто взглянул на форму перовскита и понял, какие у него будут оптические свойства», — пояснил научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Иначе говоря, российские исследователи на примере перовскита из свинца, цезия и бора (CsPbBr₃) нашли и описали взаимосвязь зависимости анизотропии выращенных кристаллов от условий выращивания и конечной формы кристаллов. Это позволит не бродить в темноте, наугад создавая тот или иной образец перовскитов для экспериментов, а целенаправленно выращивать кристаллы с заданными оптическими свойствами, что, кстати, является одним из основных критериев для массового производства.

Кроме того, учёные обнаружили, что при определённых условиях перовскиты обладают рекордно высоким уровнем оптической анизотропии для всех известных трёхмерных материалов. Это позволяет использовать перовскиты для создания высокоэффективных волноводов и других устройств, позволяющих управлять движением света, что крайне важно для создания оптических аналогов электроники.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В Лаборатории солнечной энергетики НИТУ МИСИС реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr₃ и устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегам из ИТМО и МФТИ за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — отметил ведущий инженер Лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Артур Иштеев.

Учёные Стэнфордского университета доложили о создании нового материала, который поможет создать оперативную память с более высокой скоростью работы и энергоэффективностью. Соединение имеет формулу MnPd₃ (марганец-палладий-3). Оно позволит создавать быстрые модули памяти, поддерживающие обучение систем искусственного интеллекта локально, а не на удалённых серверах.

Источник изображения: Gerd Altmann / pixabay.com

Авторы проекта считают, что человечество переходит от эпохи интернета к эпохе ИИ, и актуальной задачей становится запуск ИИ-алгоритмов на периферии — на домашнем компьютере, смартфоне или даже смарт-часах. Это позволит, например, обнаруживать признаки проблем со здоровьем или распознавать естественную речь, но такие приложения требуют более эффективного оборудования, чем существующее, в том числе более быстрой оперативной памяти.

В данном случае речь идёт о памяти типа SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) — магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью спин-орбитального вращательного момента. В её основе лежит внутреннее свойство электронов — его спин. Спин можно описать как нечто напоминающее баскетбольный мяч, вращающийся на кончике пальца спортсмена. Но поскольку электрон является заряженной частицей, он при вращении превращается в крошечный магнит, с поляризацией вдоль оси вращения — возвращаясь к аналогии с баскетбольным мячом, это линия, продолжающая линию пальца у спортсмена. Направляя эти линии вверх или вниз, можно добиться представления нулей или единиц, формируя в массиве байты компьютерных данных. При этом такая память в отличие от применяемой сейчас повсеместно оперативной памяти является энергонезависимой.

Источник изображения: news.stanford.edu

В модулях памяти SOT-MRAM через слой материала спин-орбитального момента (SOT) проходит спин-поляризованный ток, из-за которого производится переключение спинов частиц в соседнем магнитном материале. В идеале правильно подобранные вещества обеспечивают запись данных простым переключением тока в слое SOT. Однако найти подходящий материал для такого слоя непросто, и здесь снова требуется аналогия. Если взять за систему отсчёта лежащий на тарелке ломтик хлеба, а по его краям отложить оси X и Y, то при прохождении тока по оси X у большинства материалов спиновая поляризация производится по оси Y, тогда как максимальной плотности данных можно добиться при поляризации по оси Z — оси, продолжающей линию перпендикулярно воткнутой в ломтик хлеба зубочистки. Обойти это ограничение в общем случае получается при помощи внешнего магнитного поля, которое требует дополнительного пространства и дополнительных расходов энергии.

Нужными свойствами обладает полученное американскими учёными соединение MnPd₃ — его внутренняя структура лишена кристаллической симметрии, которая заставила бы все электроны выстраивать спины вдоль одной линии. При помощи этого материала исследователи продемонстрировали переключение поляризации как в направлении Y, так и в направлении Z без необходимости во внешнем магнитном поле — её можно выстраивать даже в направлении X, уточнили учёные, хотя этот нюанс в основную работу и не вошёл.

Помимо асимметричной кристаллической структуры, MnPd₃ обладает рядом иных свойств, которые помогут быстро внедрить его в массовое производство модулей SOT-MRAM. В частности, он выдерживает производимый при выпуске электроники отжиг (400 °C на 30 минут), а его слой создаётся при помощи магнетронного напыления — этот процесс уже используется при производстве других компонентов для хранения данных. Иными словами, для его внедрения в производство не потребуется новых инструментов или новых методов — материал обладает новыми свойствами, но идеально вписывается в современные технологии производства. Учёные уже работают над прототипам модулей SOT-MRAM на базе марганца-палладия-3, которые можно будет интегрировать в реальные устройства.

К моменту строительства космических баз на Луне, Марсе и где-то ещё у нас должны быть развиты соответствующие технологии. Их основой станет производство строительных материалов на месте. Ракетами с Земли кирпичей не навозишь. Поэтому ряд земных лабораторий и компаний заняты изобретением технологий и составов стройматериалов из местного сырья с добавлением привозного. Многообещающей добавкой оказался картофельный крахмал.

Образцы кирпичей с добавлением крахмала. Источник изображения: Open Engineering/CC BY 4.0

В недалёком прошлом на роль скрепляющих материалов для производства «космического» бетона пробовали мицелий грибов, а также пот, мочу и кровь колонистов. Исследователи из Манчестерского университета предложили использовать картофельные чипсы с большим содержанием крахмала и остаточными следами влаги. Из мешка чипсов весом 25 кг можно произвести почти полтонны фирменного состава StarCrete, которого хватит на изготовление 213 «космических» кирпичей.

Кирпич из смеси крахмала и имитатора лунной пыли выдерживал давление 91 МПа. Кирпичи из смеси крови и пыли оказались менее прочными — выдерживали сжатие до 40 МПа. Обычный бетон, для сравнения, выдерживает давление 32 МПа (надо понимать, это усреднённая величина). Дополнительную прочность кирпичам с добавлением крахмала придало добавление соли в раствор. Это может быть минеральная соль с поверхности планеты и даже соль из слёз космонавтов.

Источник изображения: Open Engineering

Интересно, что на Земле тоже найдётся ниша для использования кирпичей из картофеля. Считается, что производство бетона и цемента ведёт к выбросу примерно 8 % парниковых газов. Выращивание картофеля и превращение его в строительный материал уменьшит выбросы и увеличит поглощение CO₂ из воздуха пока картофель будет расти на грядках. Для продвижения идеи была создана компания DeakinBio. Если технология найдёт применение на Земле, считают разработчики, её будет легче распространить на использование в космосе.

Группа учёных из США создала «камеру», скорость затвора которой в один триллион раз быстрее затвора обычных камер в смартфонах, а переменная выдержка позволяет фиксировать атомы как в динамике, так и в статике. Устройство помогло сделать открытие в области термоэлектрических материалов, которые преобразуют избыточное или «мусорное» тепло в электрический ток. Сделанные «камерой» изображения показывают танец групп атомов, которые отвечают за такой процесс.

Обработанное изображение атомов с длительной выдержкой (слева) и с короткой (справа). Источник изображения: Jill Hemman/ORNL

Поясним, твёрдые тела могут содержать группы атомов (подрешётки), находящиеся в движении даже в твёрдом кристаллическом состоянии. Такие состояния называются квазижидкими. Остальные подрешётки каркаса остаются в неподвижном упорядоченном состоянии, обеспечивая материалу присущую ему механическую прочность и твёрдость. Подобные материалы имеют перспективу в сфере преобразования тепла в электричество. К примеру, электричество можно будет получать из выхлопных труб двигателей, из выбросов тепла на АЭС и других электростанциях и много где ещё.

Разработанная американскими учёными камера позволяет делать снимки таких коллективных движений атомов, что даёт возможность улучшать и совершенствовать термоэлектрические материалы. Учёные начинают продвигаться в исследовании не вслепую, а осознанно, наблюдая картину происходящего в реальном масштабе времени. С чуть более длинной выдержкой картинка получается несколько размытой, обеспечивая взгляд на атомы в динамике — в «танце», тогда как кратчайшая выдержка длительность в одну пикосекунду даёт изображение чёткой атомной структуры.

Таким способом учёные из Колумбийского Университета, Университета Бургундии с привлечением специалистов Ок-Риджской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории смогли обнаружить нарушение атомных симметрий в теллуриде германия (GeTe), одном из важных материалов для термоэлектричества, который преобразует отработанное тепло в электричество (наоборот способен охлаждаться под воздействием электричества). Ранее им не удавалось увидеть смещения, показать динамические колебания и скорость их изменения. В результате команда разработала новую теорию, которая показывает, как такие локальные флуктуации могут формироваться в GeTe и родственных материалах.

Что касается непосредственно «камеры», то это установка на базе источника нейтронов из ORNL. Называется она variable shutter PDF или vsPDF. Об исследовании было рассказано в журнале Nature Materials.

Учёные из Университета Райса, США, разработали технологию подготовки строительных древесностружечных пиломатериалов нового поколения для борьбы с глобальным потеплением. На выходе получается строительная древесина с возможностью поглощать углекислый газ из атмосферы. Технология не перевернёт мир, но сделает его немного чище.

Источник изображения: Pixabay

Сегодня существует множество предложений по извлечению CO₂ из атмосферы и из продуктов горения при промышленном производстве. Некоторые проекты реализованы, и множество стоят в очереди на реализацию. Как правило, все предложения опираются на активную работу средств улавливания и поглощения, что делает их затратными и снижает эффективность. Если наделить строительную древесину свойствами пассивного улавливания атмосферного CO₂, то в итоге это может оказаться достаточно эффективно.

Сверх того, предложенная учёными технология обработки делает древесину прочнее, что позволит ей в ряде случаев заменить бетон и даже сталь. Тем самым можно сократить производство бетона и стальных изделий, что, в свою очередь, снизит вредные выбросы углекислого газа. Более прочная древесина хоть и опосредованно, но положительно повлияет на климатические изменения.

Источник изображения: Rahman et al/Cell Reports 10.1016/j.xcrp.2023.101269

В чём же заключается предложение американских учёных? Во-первых, древесину необходимо освободить от лигнина. Это природный полимер, придающий ей гибкость и окраску. Для этого древесину кипятят в специальном водном растворителе. Во-вторых, древесину с извлечённым лигнином высушивают. На третьем этапе древесина вымачивается в растворе с содержанием микроскопических частичек металлоорганического каркаса Calgary framework 20 (CALF-20) и сушится (выше на фото процесс иллюстрирован по шагам, начиная с левой стороны изображения).

Все освобождённые от лигнина полости в древесине заполняются частичками CALF-20. Это вещество обладает гидрофобными свойствами и не способно поглощать влагу из воздуха, что для строительных материалов является весомым плюсом. В то же время CALF-20 отлично поглощает углекислый газ и именно его присутствие превращает древесину в пассивный поглотитель CO₂ из атмосферы. Попутно это вещество делает древесину намного прочнее.

На следующих этапах учёные будут испытывать улучшенную древесину на прочность и подвергать другим воздействиям, что необходимо для утверждения её на роль строительных материалов в будущем. Возможно, когда-нибудь она начнёт её играть.