Молекулярная химия

«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.

Эксперимент LHCb совершил прорыв в точной физике на Большом адронном коллайдере (БАК). В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters и доступной в настоящее время на сервере препринтов arXiv, коллаборация LHCb сообщает о первом специальном измерении массы Z-бозона на БАК с использованием данных о столкновениях протонов при высоких энергиях, зарегистрированных в 2016 году во время второго запуска коллайдера.

Z—бозон - это массивная электрически нейтральная частица, которая является посредником между слабыми ядерными взаимодействиями - одним из фундаментальных взаимодействий в природе. Обладая массой около 91 миллиарда электронвольт (ГэВ), он входит в число самых тяжелых известных элементарных частиц.

Открытый в ЦЕРНе более 40 лет назад, наряду с W—бозоном, Z-бозон сыграл центральную роль в подтверждении стандартной модели физики элементарных частиц - прорыве, который привел к присуждению Нобелевской премии по физике в 1984 году. Точное измерение его массы остается важным для тестирования стандартной модели и поиска признаков новой физики.

Новое измерение на БАК основано на выборке из 174 000 Z-бозонов, распадающихся на пары мюонов, более тяжелых родственников электрона. В результате измерений масса составила 91 184,2 миллиона электронвольт (МэВ) с погрешностью всего в 9,5 МэВ, или около сотых долей процента.

Результат согласуется с измерениями, проведенными на электрон–позитронном коллайдере LEP, предшественнике БАК, и экспериментом CDF на бывшем протон–антипротонном теватронном коллайдере в США. Кроме того, это соответствует точности предсказания стандартной модели, неопределенность которого составляет 8,8 МэВ.

Измерения LHCb показывают, что этот уровень точности может быть достигнут на БАКЕ, несмотря на сложную среду протон–протонных столкновений, в которой одновременно образуется множество частиц.

Это достижение открывает двери для дальнейших исследований массы Z-бозона на БАК и будущих БАК с высокой светимостью, включая долгожданный анализ результатов экспериментов ATLAS и CMS. Важно отметить, что экспериментальные погрешности при измерении массы Z-бозона в значительной степени независимы во всех экспериментах на БАКЕ, а это означает, что среднее значение измерений будет иметь меньшую погрешность.

"БАК с высокой светимостью потенциально может поставить под сомнение точность измерения массы Z-бозона с помощью LEP — то, что казалось немыслимым в начале программы LHC", - говорит представитель LHCb Винченцо Вагнони (Vincenzo Vagnoni). "Это проложит путь для предполагаемых будущих коллайдеров, таких как FCC-ee, для достижения еще большего скачка в точности".

PFOS, обычно называемые "вечными химикатами", представляют собой синтетические соединения, которые широко используются в различных коммерческих приложениях благодаря своей способности обеспечивать стойкость к пятнам, огню, жиру, загрязнениям и воде. Эти вещества нашли свое применение в ряде продуктов, включая посуду с антипригарным покрытием, ковры, мебель с обивкой, упаковку для продуктов питания и пены для тушения пожаров, используемые в аэропортах и на военных аэродромах.

PFOS (перфтороктановый сульфонат или перфтороктановая сульфоновая кислота) относятся к более широкому классу химических веществ, называемых ПФАС (пер- и полифторалкильные вещества). Оба типа были связаны с целым рядом проблем со здоровьем, включая заболевания печени, сбои в работе иммунной системы, проблемы с развитием и рак.

Из-за их широкого использования PFOS был обнаружен в почве, сельскохозяйственной продукции и источниках питьевой воды, что создает значительные риски для здоровья. В связи с этим Сяогуан Мэн и Христос Христодулатос, профессора кафедры гражданского, экологического и океанического инжиниринга Института технологии Стивенса, вместе с аспирантом Мэн Цзи, стремились определить наиболее эффективные методы удаления этих токсинов из воды.

Традиционно большинство водяных фильтров используют активированный уголь для удаления вечных химикатов и других загрязнителей. Процесс, с помощью которого активированный уголь удаляет PFOS, называется адсорбцией, при которой молекулы PFOS прилипают к обширной пористой поверхности частиц угля, когда вода проходит через них.

Однако в очистке сточных вод железный порошок — по-научному называемый микромасштабным железом с нулевой валентностью или mZVI — также используется для удаления загрязняющих веществ из сточных вод. "Железный порошок широко используется для очистки воды и сточных вод, потому что он дешевый — дешевле активированного угля", - говорит Мэн. Они хотели сравнить эффективность адсорбции железного порошка и активированного угля.

Они обнаружили, что железный порошок лучше очищает воду. "Железный порошок был в 26 раз эффективнее активированного угля на единицу площади поверхности", - говорит Джи. Исследователи изложили свои выводы в исследовании под названием "Исследование кинетики и механизма удаления ПФОС с помощью микромасштабного железа с нулевой валентностью из воды", опубликованном в журнале Environmental Science & Technology 19 марта 2025 года.

Что еще более интересно, команда обнаружила, что даже когда железный порошок ржавел от пребывания в воде, его адсорбционные свойства не сильно изменялись. "Поверхность частиц покрыта оксидом железа, но он все еще очень активен", — говорит Мэн, - и это удивительно. Это означает, что окисленное железо по-прежнему способствует удалению ПФОС. Неожиданные результаты сделали исследование популярным среди других исследователей, говорит Мэн.

Мэн и Цзи планируют продолжить изучение этого явления. "Теперь нам нужно провести дополнительные исследования, чтобы выяснить, почему", - говорит Мэн. "Потому что это важно для разработки крупномасштабных технологий удаления отходов".

Хуан Касадо Кордон, профессор физической химии в Университете Малаги, считает графен — бесконечный слой атомов углерода — одним из величайших открытий за последние 20 лет благодаря его "уникальным свойствам", таким как высокая электрическая и теплопроводность или его большая гибкость, а также сопротивление. Эти качества становятся исключительными, как он объясняет, с недавним открытием, состоящим в объединении двух слоев этого материала — билинейного графена.

Исследователи из Университета Малаги под руководством Касадо Кордона и из Университета Комплутенсе под руководством профессора Назарио Мартина сделали еще один шаг вперед и создали беспрецедентную молекулярную модель двухслойного графена, способного управлять вращением, что, в свою очередь, позволяет контролировать проводимость и достигать "потенциально впечатляющих полупроводниковых свойств.

В результате получилась новая модель молекулы двухслойного графена. "Разрабатывая ковалентно связанные молекулярные нанографены, мы можем имитировать поиск магического угла между графеноподобными листами, благодаря которому достигается полупроводимость, ключевое свойство, например, при создании транзисторов, основных блоков компьютеров", - объясняет этот ученый с факультета естественных наук. Это открытие было

Повышенная эффективность и долговечность.

Кроме того, разработанная в Университете Малаги модель позволяет формировать ионные связи между органическими молекулами — когда один атом доминирует над другим в процессе разделения заряда, в то время как подавляющее большинство изученных до сих пор случаев органических молекул сосредоточено на ковалентных связях.

"Обнаружение метастабильного и долговременного состояния вещества с помощью переноса электронов - это уникальный случай взаимодействия молекул углерода", - говорит Касадо Кордон, который добавляет, что это уникальный пример "квантово-механической" молекулы с электростатической связью, которая при желании может быть "доквантовой" или "классической" из-за его кулоновский характер.

Таким образом, данное исследование закладывает основы для создания искусственных молекул, способных имитировать эффективность фотосинтетических процессов — преобразование световой энергии в электростатическую, а затем в химическую — поскольку спроектированный билинейный нанографен, в результате передачи электронов, воспроизводит биологические молекулы, участвующие в фотосинтезе, что позволит разработать специально созданные искусственные фотогальванические приложения.

Исследование "Синтез цвиттерионных двухслойных спиронанографенов с открытой оболочкой" проводилось более шести лет при участии ученых с факультета физической химии Университета Малаги Самары Медины, которые взяли на себя экспериментальную часть, и Даниэля Аранды, отвечающего за теоретическое моделирование процесса переноса заряда.

Кроме того, исследование проводилось при сотрудничестве международных лабораторий из Японии и Сингапура, а также исследователей Комплутенсе Университета Мадрида под руководством профессора Назария Мартина.

Публикация взята с сайта: https://www.nature.com/articles/s41557-025-01810-2

Представьте себе, что вы можете управлять магнетизмом чистого вещества, не прибегая к легированию или добавлению дефектов! Именно это произошло с исследовательской группой, возглавляемой профессором Чун-Йол Ю из DGIST. Они успешно индукцировали ферромагнетизм в оксиде ванадия, удивительном соединении, которое ранее было известно своей странной способностью переходить из металла в изолятор в зависимости от температуры.

Загадка оксида ванадия (VO)

Оксид ванадия — это тот материал, который, казалось, всегда оставлял ученых в недоумении. Хотя его электрические свойства были тщательно изучены, магнитные свойства оставались почти неизведанными. Обычное поведение VO можно охарактеризовать как антиферромагнитное или парамагнитное, что создавало некоторые ограничения в его использовании в магнитных приложениях. Однако, как показало это новое исследование, все изменилось!

Команда решила проверить, сможет ли чистый оксид ванадия проявить ферромагнитные свойства, просто изменив степень окисления ионов ванадия. Вместо того чтобы добавлять примеси или изменять структуру, они начали с тонких слоев металлического ванадия, постепенно увеличивая концентрацию кислорода и создавая пленки с различными уровнями окисления.

И, о чудо! Результаты показали четкую зависимость: чем ниже степень окисления, тем более pronounced (выраженным) было ферромагнитное поведение. Ферромагнетизм проявлялся в тех областях, где сосуществовали ионы ванадия в разных степенях окисления — например, ванадий (III) и ванадий (IV). Это стало настоящим откровением!

Работа группы подкреплена предсказаниями теории функционала плотности (DFT), что подтверждает их эмпирические данные и добавляет еще больше уверенности в их результаты. Ранее считалось, что для создания ферромагнетизма в оксиде ванадия необходимы экзогенные факторы, такие как легирование. Это новое открытие меняет правила игры и открывает новые горизонты для науки о материалах.

Профессор Ю резюмировал: «Мы подтвердили, что смешанное валентное состояние ионов ванадия играет критическую роль в генерации ферромагнетизма, который можно тонко настроить через контроль окисления.» Эта работа не только расширяет наши знания о оксиде ванадия, но и может служить основой для создания новых магнитных материалов, необходимых для устройств следующего поколения в области информационных технологий.

Теперь, когда мы можем контролировать магнитные свойства материалов с помощью простой настройки окисления, двери для новых технологий открыты шире, чем когда-либо прежде!

Исследователи создали молекулярную наноклетку, способную эффективно улавливать основную массу per- и полифторалкильных соединений (PFAS), присутствующих в воде, и превосходящую по эффективности традиционные методы фильтрации с использованием активированного угля. Эта миниатюрная система фильтрации, основанная на органическом нанопористом материале, специально разработанном для избирательного захвата PFAS, удалила 80–90% этих веществ из сточных и грунтовых вод соответственно, при этом практически не оказывая негативного воздействия на окружающую среду.

Исследование проведено учёными Университета Буффало и опубликовано в журнале ACS ES&T Engineering.

PFAS — это химические соединения, которые иногда называют «вечными химикатами». Они широко применяются в производстве пищевой упаковки, антипригарных покрытий и других изделий. PFAS крайне устойчивы к разложению и чрезвычайно трудно выводятся из водных источников.

Согласно данным исследований, воздействие PFAS может вызывать широкий спектр неблагоприятных последствий для здоровья, включая снижение фертильности, задержки в развитии у детей и повышенный риск развития некоторых видов рака. Безопасное и эффективное удаление PFAS из грунтовых, сточных и других водных источников остаётся национальной задачей.

Молекулярные наноклетки ранее рассматривались как перспективные кандидаты для удаления загрязнителей, включая PFAS. Их прочная структура позволяет захватывать, удалять и химически обезвреживать опасные вещества, такие как PFAS и другие. Кроме того, по мнению авторов исследования, такие наноклетки потенциально способны фильтровать вредные газы из воздуха.

В ходе работы учёные синтезировали наноклетки из органических соединений, известных как порфирины. Ранее уже было показано, что порфириновые наноклетки успешно удаляют из воды красители, антибиотики, инсектициды и вещества, нарушающие гормональный баланс человека.

Далее исследователи проверили способность своих наноклеток поглощать 38 различных видов PFAS, включая GenX — распространённый компонент антипригарных покрытий и других материалов. Результаты показали, что наноклетки удаляют до 90% PFAS из грунтовых вод и до 80% — из необработанных сточных вод.

Органические молекулярные наноклетки также значительно превзошли по эффективности активированный уголь, особенно при очистке необработанных сточных вод. Как отмечают исследователи, активированный уголь и другие методы очистки, такие как ионообменные смолы и обратный осмос, слабо взаимодействуют с PFAS, а также отличаются высокой стоимостью, сложностью обслуживания и значительным энергопотреблением по сравнению с наноклетками.

«Порфириновые наноклетки представляют собой потенциально практичное решение проблемы удаления PFAS», — отмечает Сэми Эль-Шалл, директор программы в отделе химии Национального научного фонда США. — «Этот материал можно производить в промышленных масштабах, а структуру клеток модифицировать так, чтобы удалять исключительно PFAS, не затрагивая другие компоненты воды».