Группа учёных во главе с исследователями из Университета Мичигана (University of Michigan) открыла универсальную молекулу для флуоресцентных применений, которая одинаково рекордно эффективна как в твёрдом, так и в жидком состоянии. Такие особенности до предела расширяют сферу её применения от дисплеев до датчиков и визуализации в биологии, одновременно снижая расходы на производство.

Источник изображения: University of Michigan

Большинство исследований в сфере поиска новых светоизлучающих молекул начинается с жидкой фазы, с которой учёным проще работать. Перевод вещества в твёрдую фазу часто настолько сильно изменяет свойство соединений, что оно оказывается неинтересным для дальнейшей разработки, что означает потерянные время и деньги. И если с потерей денег ещё можно смириться, то время — это абсолютно невосполнимый ресурс.

Флуоресцентные молекулы, называемые флуорофорами, способны поглощать свет и излучать его на более низких энергетических уровнях (с большими длинами волн). Они обеспечивают свечение пикселей в OLED-дисплеях и помогают врачам и учёным понять, что происходит в клетках и тканях. В дисплеях и в датчиках они должны быть твёрдыми, но для биологических целей обычно используются жидкости. Большинство флуорофоров плохо работают в обеих фазах вещества, но только что открытый флуорофор работает.

«Флуоресцентный материал достиг рекордной яркости и эффективности: квантовая эффективность в твёрдом состоянии составила 98 %, а в растворе — 94 %», — сказал Джинсанг Ким (Jinsang Kim), профессор естественных наук и инженерии на факультете материаловедения и инженерии Мичиганского университета, который руководил исследованием.

Открытой учёными молекуле дали название TGlu. По факту это одно бензольное кольцо (шесть соединённых в правильный шестиугольник атомов углерода), к которому симметрично с противоположных сторон подсоединены по две группы доноров электронов и акцепторов. За счёт своих малых размеров и тесного расположения источника и приёмника электронов молекула приобретает те удивительные свойства, которые позволяют ей в жидком и твёрдом состоянии быть примерно одинаково эффективной.

Интересно, что молекула TGlu была открыта случайно, как часто происходит в научной работе. В исследовании она была не конечным, а промежуточным компонентом. В дальнейшем можно отталкиваться от её структуры и синтезировать новые флуоресцентные вещества. Эта под воздействием возбуждающего видимого света устойчиво испускает свет синей длины волны. Подбирая соединения с другими энергетическими зазорами можно открыть молекулы, светящиеся красным и зелёным светом.

Также учёные намерены ввести в соединение TGlu фосфор. Атомы фосфора традиционно более эффективны в флуоресценции. Универсальность молекулы обещает упростить масштабирование при коммерческом производстве таких соединений, что позволит быстрее внедрить открытие для выпуска передовых дисплеев, сенсоров и в биотехе.

По мере развития технологий записи цифровых данных проблема хранения архивов ничуть не теряет своей актуальности. Напротив, новые технологии генерации контента опережают темпы расширения хранилищ. Говоря словами Алисы из знаменитого произведения Кэрролла: «Нужно бежать со всех ног, чтобы просто оставаться на месте». Учёные из Австралии обещают «не оставаться на месте» в системах магнитной записи, а сделать рывок, представив миру магнит из одной молекулы.

Источник изображения: Jamie Kidston/ANU

Разработкой магнита из одной молекулы занялся коллектив из Австралийского национального университета (ANU) в сотрудничестве с Университетом Манчестера. Также были привлечены вычислительные ресурсы Центра суперкомпьютеров Pawsey в Западной Австралии. Отчёт о работе опубликован в последнем номере журнала Nature.

Сегодня магнитная запись осуществляется с вовлечением огромного массива атомов на дисках, которые организуются в домены. Соседние домены негативно влияют друг на друга, и это тоже мешает повышать плотность записи на магнитных дисках. Домен размером с одну молекулу стал бы выходом, который привёл бы к высокоплотной записи данных, и работы в этом направлении идут. Но пока все предложенные материалы демонстрируют стабильность сверхмалых магнитных доменов только при очень низкой температуре — около 80 К (-193 ℃). Учёные из Австралии шагнули в более тёплую область рабочих температур, открыв магнитную молекулу, стабильную при температуре 100 К (-173 ℃).

«Новый одномолекулярный магнит, разработанный исследовательской группой, может сохранять своё магнитное состояние при температуре до 100 Кельвинов, что составляет около минус 173 градусов по Цельсию, или такой же холодной, как лунный вечер», — сказал соавтор исследования профессор Николас Чилтон (Nicholas Chilton) из ANU.

Очевидно, что в домашних условиях непросто поддерживать температуру -173 ℃. Однако для центров обработки и хранения данных это вообще не проблема. Таких температур легко добиться с использованием такого недорогого хладагента, как жидкий азот. Слоган «Храните данные в морозилке» может стать насущной реальностью.

Сама по себе молекула-магнит представляет давно известное соединение редкоземельного элемента диспрозия с двумя атомами азота. В обычных условиях все три атома расположены зигзагом, но благодаря добавке алкена они выстроились почти в идеальную прямую, что придало молекуле магнитные свойства.

Учёные теоретически обосновали структуру магнитной молекулы и вычислили её свойства, для чего был использован суперкомпьютер и квантовая механика. Уравнения квантовой механики дают результат, совпадающий с показаниями эксперимента до 12 знаков после запятой. Поэтому расчётам можно верить. Сделанное открытие позволит оттолкнуться от него и найти молекулы с ещё более сильными магнитными характеристиками, или поддерживающими их при более высокой температуре.

«Эта новая молекула может привести к появлению новых технологий, которые позволят хранить около трёх терабайт данных на квадратный сантиметр. Это эквивалентно примерно 40 000 CD-копий альбома "Тёмная сторона Луны", помещенных на жёсткий диск размером с почтовую марку, или примерно полумиллиону видеороликов TikTok», — резюмируют исследователи.

Группа американских исследователей изучила данные, полученные индийским космическим аппаратом «Чандраян-1» (Chandrayaan-1), и заявила, что молекулы воды присутствуют на всей поверхности Луны, а не только в близких к её полюсам областях.

Источник изображения: JB / pixabay.com

Следы воды присутствуют на всех лунных широтах, в том числе на тех, что освещаются Солнцем, обнаружила группа учёных из Института планетарных наук в Тусоне (штат Аризона) и других научно-исследовательских учреждений США. Свои выводы они сделали, проведя анализ минералогических карт Луны, которые были получены при помощи прибора Moon Mineralogy Mapper, установленного на индийском космическом аппарате «Чандраян-1».

Породы, богатые водой и гидроксилом, присутствуют на всей поверхности Луны, считают учёные. «Будущие астронавты, возможно, смогут найти воду даже вблизи экватора», — заявил входящий в группу исследователей старший научный сотрудник Института планетарных наук доктор Роджер Кларк (Roger Clark). Ранее китайские учёные предположили, что ресурсы, необходимые для получения воды и снабжения объектов на Луне, в достаточных объёмах имеются лишь в полярных областях, куда затруднён доступ для солнечных лучей.