Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли подобрали перспективный, недорогой и экологически безопасный состав чернил для широкого спектра применений в производстве и быту. Новинка поможет выпускать дисплеи нового поколения для электроники, будет использоваться в предметах одежды и служить основой для 3D-печати светящихся и люминесцирующих моделей.

Модели Эйфелевой башни, напечатанные с использованием новых люминесцентных чернил. Источник изображения: Berkeley Lab

«Благодаря замене драгоценных металлов более доступными в природе материалами, наша технология супрамолекулярных [супермолекулярных] чернил может кардинально изменить правила игры в индустрии OLED-дисплеев, — заявил главный исследователь проекта Пейдонг Янг (Peidong Yang), старший научный сотрудник отдела материаловедения Berkeley Lab и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. — Что ещё более захватывающе, так это то, что технология может также распространить свое применение на печать органических плёнок для изготовления носимых устройств, а также люминесцентных рисунков и скульптур».

Исследователи пояснили в статье в журнале Science, что новый материал состоит из порошков, содержащих гафний (Hf) и цирконий (Zr), которые можно смешивать в растворе при относительно невысоких температурах: от комнатной до примерно 80 °C. При нагревании образуются «чернила», которыми дальше можно пользоваться по своему усмотрению. Подобный скромный нагрев позволит значительно снизить затраты на производство, которое, как правило, довольно энергоёмкое, если говорить о современных реалиях.

Представление новой супермолекулы «чернил»

Более того, новые чернила способны подтолкнуть к появлению более устойчивых к воздействию окружающей среды плёнок на основе перовскита. Они могут заменить современные соединения перовскита со свинцом, предложив более экологически чистую альтернативу перспективным светящимся и фотопреобразующим перовскитным пленкам.

Но это в отдалённой перспективе. Найденный в Беркли супермолекулярный состав был испытан на люминесценцию и её эффективность. Выяснилось, что при освещении материала ультрафиолетовым светом он почти 100 % энергии переводит в оптический диапазон. Это редкая удача, которая позволит максимально увеличить эффективность будущих плоскопанельных дисплеев. Правда, найдены только соединения для синего и зелёного спектра, тогда как с красным пока не заладилось.

В качестве эксперимента была изготовлен тонкоплёночный дисплей, работа которого в виде быстрой смены букв английского алфавита показана выше на видео. Нетрудно заметить, что даже лабораторная разработка показывает отличную скорость реакции, что важно для дисплеев.

Не менее интересно выглядит перспектива использования нового супермолекулярного соединения для 3D-печати. Напечатанные таким образом миниатюры будут светиться, что позволит, например, создавать таким образом декоративные осветительные приборы. Наконец, светящиеся чернила с поддержкой низкотемпературно процесса способны сказать новое слово в одежде. Это может быть как спецодежда для работы в условиях плохой освещённости, так и повседневная со своей изюминкой в дизайне.

Международный коллектив физиков впервые наблюдал объёмные спиновые вихри в обычных материалах, что поможет вывести электронику на новый уровень. Речь идёт о таких структурах, как солитоны Хопфа или хопфионы (hopfions). Это устойчивая вихреподобная структура поля, которая может считаться квазичастицей, с которой можно работать — создавать на её основе память, кубиты и элементы логики нейроморфных процессоров.

Компьютерное представление хопфиона с указанием направлений спинов в кольце. Источник изображений: Филипп Рыбаков

Хопфитоны можно считать трёхмерным аналогом скирмионов. Скирмионы, как топологические структуры в плоском 2D-исполнении, открыты достаточно давно. Хопфионы оставались известными науке лишь в виде решений сложных уравнений, тогда как на практике они в простейшем случае напоминали бы бублик поля в объёме материала. Впрочем, в специально синтезированных материалах хопфионы можно было наблюдать, но в более привычных ещё нет.

Совместный коллектив учёных из Швеции, США и Китая смог добиться устойчивого образования хопфионов в толще пластинки из железа и германия. «Наши результаты важны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, поскольку появился новый мост между экспериментальной физикой и абстрактной математической теорией, что может привести к тому, что хопфионы найдут применение в спинтронике», — заявил ведущий автор исследования Филипп Рыбаков, научный сотрудник факультета физики и астрономии Уппсальского университета (Швеция).

Более глубокое понимание того, как функционируют различные компоненты материалов, важно для разработки инновационных материалов и технологий будущего. Например, область спинтроники, изучающая спин электронов, открыла многообещающие возможности объединения электрических и магнитных свойств электронов для таких приложений, как новая электроника, включая логику и память. Яркий пример из этого — разработка трековой памяти, предложенная компанией IBM около десяти лет назад.

Наблюдение хопфиона через просвечивающий электронный микроскоп в 180-нм образце. Источник изображения: Fengshan Zheng/Forschungszentrum Jülich

«Поскольку объект новый и многие его интересные свойства еще не открыты, трудно делать прогнозы относительно его конкретных приложений в спинтронике. Однако можно предположить, что наибольший интерес хопфионы могут представлять при переходе в третье измерение практически всех технологий, разрабатываемых на основе магнитных скирмионов: трековой памяти, нейроморфных вычислений, кубитов (основной единицы квантовой информации). По сравнению со скирмионами хопфионы обладают дополнительной степенью свободы за счет трёхмерности и, следовательно, могут двигаться не в двух, а в трёх измерениях», — пояснил Рыбаков.

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.