Край Будущего

Одноатомные катализаторы (SAC, от англ. single-atom catalysts) — это материалы, в которых отдельные атомы металла равномерно распределены на поверхности подложки. Благодаря своей структуре они обладают рядом преимуществ: высокой селективностью (способностью избирательно ускорять нужные химические реакции), регулируемой реактивностью и относительно низкой стоимостью. Эти свойства делают SAC особенно перспективными для применения в таких областях, как топливные элементы, электролиз воды и другие процессы преобразования энергии.

Проблема агрегации и ограниченной загрузки.

Несмотря на свои достоинства, SAC имеют важное ограничение: при увеличении количества атомов металла на подложке они склонны к агрегации — объединению в кластеры. Это приводит к потере уникальных свойств одноатомных катализаторов и снижению их эффективности. Кроме того, большинство традиционных подложек не способны удерживать большое количество отдельных атомов, что ограничивает каталитическую активность материала.

Решение от сингапурских учёных: MoS₂ и десульфурация.

Группа исследователей из Национального университета Сингапура предложила инновационное решение этой проблемы. Они использовали двумерный материал — дисульфид молибдена (MoS₂) в его металлической фазе 1T' — в качестве подложки для SAC. С помощью метода электрохимической десульфурации (удаления атомов серы под действием электрического тока) они создали на поверхности MoS₂ множество вакансий — пустых мест, куда могут "встраиваться" атомы металла.

Эти вакансии не только позволяют разместить большее количество атомов, но и предотвращают их агрегацию, стабилизируя их в виде отдельных частиц. Более того, при определённых условиях соседние атомы могут взаимодействовать, образуя двухатомные катализаторы (DAC) — пары атомов, которые работают синергетически и могут быть ещё более эффективными, чем одиночные атомы.

Управляемый переход между SAC и DAC

Одним из ключевых достижений работы стало то, что исследователи смогли управлять переходом между SAC и DAC с помощью электрического поля. Это означает, что можно "включать" и "выключать" взаимодействие между атомами, создавая катализаторы по требованию. Такой подход открывает путь к созданию динамически настраиваемых катализаторов, способных адаптироваться к условиям реакции.

Методы исследования и подтверждение результатов.

Для изучения структуры и поведения катализаторов учёные использовали:

• Рентгеновскую абсорбционную спектроскопию (XAS) — для анализа координационной среды атомов металла;

• Сканирующую просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения — для визуализации отдельных атомов на поверхности MoS₂;

• Синхротронное излучение — для проведения точных измерений в режиме *operando* (в реальном времени, в процессе реакции).

Выводы и перспективы!

Работа сингапурских учёных демонстрирует новый подход к созданию высокоэффективных катализаторов, способных работать в условиях высокой плотности активных центров без потери активности. Возможность управлять состоянием катализатора с помощью электрического поля делает такие материалы особенно ценными для будущих энергетических технологий, включая водородную энергетику, электрохимические преобразования и устойчивое производство топлива.

В дальнейшем команда планирует сследовать другие комбинации металлов, которые могут образовывать DAC и демонстрировать уникальные каталитические свойства.

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории сделали важный шаг в развитии квантовых вычислений. В своей новой работе, опубликованной в журнале *Physical Review Letters*, они представили задачу, которую классические компьютеры не могут эффективно решить, в то время как квантовые справляются с ней значительно лучше. Это редкий и ценный пример так называемого «квантового преимущества».

Команда так же сосредоточилась на моделировании сложной оптической схемы, включающей множество источников света, полупрозрачных зеркал (светоделителей) и фазовращателей. Такие схемы называются гауссовыми бозонными и представляют собой физически реалистичные модели, которые можно воспроизвести в лаборатории. Они используются, например, в квантовой оптике и фотонных вычислениях.

Проблема в том, что классическое моделирование таких систем требует экспоненциально растущих вычислительных ресурсов. Даже просто описать поведение всей системы на обычном компьютере — задача практически невозможная. Однако квантовый компьютер способен эффективно справиться с этим моделированием благодаря использованию принципов квантовой физики: суперпозиции, запутанности и интерференции.

Теоретическая значимость.

Авторы показали, что задача моделирования гауссовых бозонных схем относится к классу BQP-полных. Это означает, что она является типичной для квантовых вычислений и одновременно крайне сложной для классических алгоритмов. Более того, любая другая задача из этого класса может быть сведена к данной, и наоборот. Это делает её важным ориентиром в теории квантовой сложности.

Роль студенческого вклада.

Интересно, что ключевую роль в проекте сыграла студентка летней школы квантовых вычислений Элис Барт, которая работает в ЦЕРН. Обладая глубокими знаниями в области оптических схем и квантовых алгоритмов, она внесла решающий вклад в разработку модели. Её участие стало возможным благодаря стажировке в Лос-Аламосской лаборатории — престижной программе, где студенты старших курсов и магистратуры работают над реальными научными проектами под руководством опытных исследователей.

Вывод!

Это исследование не только расширяет список задач, где квантовые компьютеры демонстрируют явное преимущество, но и приближает нас к практическому использованию квантовых технологий. Оно также подчёркивает важность междисциплинарного подхода и вклад молодых учёных в передовые научные открытия.

«Чтобы создавать материалы с нужными свойствами, нужно понимать, как располагаются атомы», — говорит Вэньхао Сун, доцент материаловедения и автор статьи в *Nature Physics*. «Квазикристаллы заставили нас пересмотреть основы формирования твёрдых тел».

Квазикристаллы были впервые описаны в 1984 году израильским учёным Даниэлем Шехтманом. Он обнаружил, что атомы в некоторых сплавах образуют икосаэдрическую структуру с пятикратной симметрией — ранее считавшуюся невозможной. Несмотря на скептицизм научного сообщества, позже квазикристаллы были синтезированы в лабораториях и найдены в древних метеоритах. В 2011 году Шехтман получил Нобелевскую премию по химии.

Однако долгое время оставалось неясным, как такие структуры формируются. Проблема заключалась в том, что традиционные методы расчёта стабильности кристаллов не подходят для квазикристаллов, так как они не имеют повторяющейся структуры.

«Понять материал — значит понять, что делает его стабильным», — объясняет Ухен Бэк, соавтор исследования. В обычных кристаллах атомы стремятся к минимальной энергии (энтальпии), а в стекле — к максимальной беспорядочности (энтропии). Квазикристаллы же занимают промежуточное положение: они упорядочены локально, как кристаллы, но не повторяются, как стекло.

Согласно статье, опубликованной в *Nature Communications*, нанопластики могут нарушать целостность кишечника у мышей, влияя на взаимодействие между микробиотой и организмом. Исследование подробно рассматривает, как нанопластики воздействуют на кишечную среду.

Что такое нанопластики?

Это мельчайшие частицы пластика размером менее 1000 нанометров, образующиеся при разложении пластиковых отходов. Ранее уже было известно, что они могут нарушать микрофлору кишечника, но механизмы этого воздействия оставались неясными.

Как проводилось исследование?

Учёные под руководством Вэй-Сюаня Хсу из Национального университета Ченг Кунг (Тайвань) использовали РНК-секвенирование, транскриптомный анализ и микробиологическое профилирование, чтобы изучить влияние полистирольных нанопластиков на кишечник мышей. Они обнаружили, что нанопластики изменяют экспрессию белков ZO-1 и MUC-13, ответственных за барьерную функцию кишечника, а также вызывают дисбаланс микробиоты — в частности, рост бактерий семейства Ruminococcaceae, ранее связанных с нарушениями ЖКТ.

Исследование показало, что нанопластики могут нарушать передачу сигналов между клетками кишечника и микробами через внеклеточные пузырьки (экзосомы), влияя на состав микрофлоры и снижая защитные функции кишечника.

А как это связано с человеком?

Хотя результаты на мышах важны, их нельзя напрямую применять к людям. Микрофлора человека и мышей различается, а дозы нанопластиков в эксперименте были значительно выше, чем те, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Поэтому, по словам исследователей, поводов для паники нет, и менять рацион на основе этих данных пока не требуется.

Ограничения исследования:

1. Высокие дозы: В экспериментах использовались концентрации, значительно превышающие реальные уровни воздействия.

2. Модель на мышах: Физиология кишечника у мышей отличается от человеческой.

3. Ограниченные данные о воздействии на человека: Пока нет точных данных о том, сколько нанопластиков действительно попадает в организм человека.

4. Один тип пластика: Изучался только полистирол, тогда как другие виды пластика могут вести себя иначе.

Что дальше?

Учёные выделяют несколько приоритетных направлений для будущих исследований:

• Разработка методов точного обнаружения нанопластиков в организме человека.

• Эпидемиологические исследования, связывающие воздействие нанопластиков с изменениями микробиоты и здоровьем кишечника.

• Моделирование хронического воздействия в реалистичных дозах.

• Сравнение воздействия разных видов пластика.

Исследование подчёркивает важность дальнейшего изучения нанопластиков и их потенциального влияния на здоровье человека, особенно с учётом их растущего присутствия в окружающей среде.

Космический аппарат Solar Orbiter, разработанный Европейским космическим агентством (ESA) в сотрудничестве с NASA, передал на Землю уникальные изображения — впервые в истории удалось получить снимки южного полюса Солнца.

Это стало возможным благодаря особой наклонной орбите, по которой движется аппарат. В марте Solar Orbiter наблюдал Солнце под углом 17 градусов ниже солнечного экватора. Этого оказалось достаточно, чтобы получить прямой обзор южного полюса звезды — области, которую ранее невозможно было рассмотреть с Земли или с других космических аппаратов.

В будущем орбита Solar Orbiter будет становиться всё более наклонной. Это значит, что в ближайшие годы аппарат сможет делать ещё более чёткие и подробные снимки полярных областей Солнца. Учёные с нетерпением ждут этих данных, ведь они могут сыграть ключевую роль в понимании природы солнечной активности.

Зачем это нужно?

Полярные области Солнца играют важную роль в формировании его магнитного поля. Именно оттуда начинаются процессы, которые влияют на солнечные циклы — чередование периодов высокой и низкой солнечной активности. Эти циклы длятся примерно 11 лет и сопровождаются вспышками, выбросами корональной массы и магнитными бурями, которые могут влиять на работу спутников, радиосвязь и даже электросети на Земле.

До сих пор полюса Солнца оставались малоизученными, поскольку с Земли они практически не видны. Solar Orbiter — первый аппарат, способный наблюдать их с выгодного ракурса. Полученные изображения и данные помогут учёным лучше понять, как формируется и меняется магнитное поле Солнца, а также предсказывать солнечные бури и их влияние на Землю.

Миссия Solar Orbiter стартовала в феврале 2020 года. Она оснащена десятью научными приборами, которые позволяют не только фотографировать Солнце, но и измерять солнечный ветер, магнитные поля и другие параметры. Это делает аппарат одним из самых передовых инструментов для изучения нашей звезды.

Проект изучил 30 протопланетных дисков вокруг звёзд, похожих на Солнце, чтобы проследить, как с возрастом меняются масса и структура газа и пыли. Впервые удалось получить полные данные об эволюции газа, дополняя уже известные сведения о пыли.

Как объясняет профессор Илария Паскуччи, наблюдение за газом требует больше времени и ресурсов, поэтому для получения статистически значимых данных потребовалась крупная программа. Исследование показало, что газ и пыль в дисках расходуются с разной скоростью: газ рассеивается быстрее, особенно на ранних этапах, тогда как пыль остаётся дольше.

Одним из неожиданных открытий стало то, что некоторые стареющие диски сохраняют больше газа, чем предполагалось. Это может означать, что газовые гиганты, такие как Юпитер, должны формироваться быстрее, чем каменистые планеты.

AGE-PRO охватил три области звездообразования разного возраста: Змееносец (1 млн лет), Волчанка (1–3 млн лет) и Верхний Скорпион (до 6 млн лет). Используя чувствительность ALMA, учёные исследовали слабые молекулярные линии — "отпечатки" различных газов — и получили данные о химическом составе и массе дисков.

Аспирант Диншань Дэн, ведущий автор одной из статей, провёл анализ данных по региону Волчанки. Благодаря новым методам обработки удалось обнаружить газ даже в тусклых и маломассивных дисках, ранее недоступных для наблюдений.

Для повышения точности измерений, помимо традиционного монооксида углерода, использовались и другие молекулы, такие как ион N2H⁺ (диазенилий), формальдегид, цианид метила и молекулы с дейтерием.

Интересно, что соотношение массы газа и пыли оказалось более стабильным между дисками разного размера, чем ожидалось. Это открытие может изменить представления о скорости формирования планет в зависимости от массы диска.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) открыл перед учёными новые горизонты, позволив с беспрецедентной чёткостью исследовать межзвёздное пространство. Используя эти данные, международная команда учёных изучила, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — органические молекулы, важные для космической химии, — выживают в суровых условиях космоса.

ПАУ были обнаружены в холодных молекулярных облаках, где они подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения и космических лучей. Несмотря на это, молекулы остаются стабильными. Новое исследование, опубликованное в *Physical Review Letters*, показало, что ПАУ с закрытой электронной оболочкой, такие как катион инденила (C₉H₇⁺), эффективно рассеивают избыточную энергию через инфракрасное и радиочастотное излучение, что позволяет им избегать разрушения.

ПАУ играют важную роль в межзвёздной химии, являясь одним из крупнейших резервуаров углерода в галактике. Их уникальные инфракрасные сигнатуры были подтверждены данными JWST и телескопа "Спитцер", что указывает на широкое распространение этих молекул в космосе.

В лабораторных условиях исследователи смоделировали поведение катиона инденила при помощи установки DESIREE в Стокгольме, способной удерживать ионы при температуре около 13 К. Моделирование показало, что даже при высоких уровнях внутренней энергии (до 5,85 эВ) молекулы не разрушались, а эффективно охлаждались, в основном за счёт радиочастотного излучения.

Результаты подтверждают, что радиочастотное охлаждение играет ключевую роль в устойчивости ПАУ с закрытой оболочкой, объясняя их неожиданно высокую концентрацию в межзвёздной среде. Это открытие поможет улучшить модели химических процессов в космосе.