Наночастицы

Вы когда-нибудь задумывались, как же ученые «заглядывают» внутрь материала толщиной в один атом? Нет, не с помощью какой-то магической атомарной линзы — ведь такие приборы, как сканирующая туннельная микроскопия, стоят дороже вашей квартиры и требуют условий из страшных научно-фантастических фильмов: ультравысокого вакуума и температуры, близкой к абсолютному нулю. Но давайте сделаем на секунду уступку здравому смыслу и представим, что можно обойтись без этих «атавистичных» дорогостоящих гаджетов. Звучит как выигрыш в лотерее, правда?

И вот команда исследователей из Института физики в Загребе, Хорватия, вместе с международными союзниками, показали, что это реально! Разрешите представить новый супергерой — передовую атомно-силовую микроскопию (АСМ), которая обычно у нас ассоциируется с чем-то вроде «гляжу на поверхность и трогаю ее иголочкой». Но ребята из Загреба доказали, что и эта «иголочка» может работать на атомном уровне, если использовать её с умом и в нескольких продвинутых режимах.

И самое главное — они смогли «увидеть» интеркаляцию, то есть проникновение атомов в пространство между слоями ультратонких материалов, таких как графен и MoS2 (кто еще не знаком с этими красавцами из мира 2D-материалов — настоятельно рекомендую познакомиться). Раньше, чтобы узнать, что же там происходит, приходилось звать на помощь специализированные сенсоры и космические приборы, теперь же — пожалуйста, АСМ, несколько хитрых режимов и вуаля — атомы поддаются визуализации!

Да еще и на образцах, которые, внимание, просто лежали на воздухе, а не в стерильных условиях научной фобии. Как говорит Кармен Капустич, соавтор: «Наш метод — это почти как взять микроскоп и сказать: «Покажи-ка, что там на самой обычной поверхности». Без всяких «галактических» условий».

Зачем нам всё это? Дело в том, что такие процессы, как интеркаляция, помогают настраивать свойства материалов — их электропроводность, гибкость, оптические эффекты — то есть, практически, делать из них новых героев будущих технологий: от гибкой электроники до квантовых компьютеров. И чем лучше мы их понимаем, тем быстрее двигаемся к мечтам про телефоны, которые не ломаются, и компьютеры, что читают мысли (ну, почти).

Как метко сказал д-р Дж. Ива Шрут Ракич, «не всегда нужно иметь сверхточный инструмент, чтобы понять сверхтонкие вещи». Главное — в творческом подходе и умении читать «между строк» — или в нашем случае — между атомными слоями.

Так что, друзья, наука не стоит на месте и доказывает: иногда секрет настоящей сверхточности — это не сверхоборудование, а умение видеть детали там, где другие ищут сложности. Кто знает, возможно, скоро и ваш старенький атомно-силовой микроскоп удивит мир новыми открытиями! А пока — будем следить за новостями из Загреба и мечтать о гаджетах из будущего, которые соединили бы в себе точность и доступность.

Вот так, с юмором и гвоздями науки в руках, мы приближаемся к разгадке тайны самых тонких материалов Вселенной.

Статья взята с сайта: Топография АСМ и совместно локализованный оптический отклик частично интеркалированного MoS2 на графене, измеренные с помощью PiFM.

Установка сверхчувствительных квантовых датчиков в живую клетку — многообещающий способ отслеживания роста клеток и диагностики заболеваний, даже раковых, на их ранних стадиях.

Многие из лучших и мощнейших квантовых датчиков могут быть созданы из маленьких кусочков алмаза, но это приводит к другой проблеме: трудно поместить алмаз в ячейку и заставить его работать.

"Для всех тех процессов, которые вам действительно нужно исследовать на молекулярном уровне, вы не можете использовать что-то очень большое. Вы должны проникнуть внутрь клетки. Для этого нам нужны наночастицы", - сказал кандидат наук из Школы молекулярной инженерии Притцкеровской школы Чикагского университета Ури Цви. "Люди и раньше использовали нанокристаллы алмаза в качестве биосенсоров, но обнаружили, что они работают хуже, чем мы ожидали. Значительно хуже."

Цви является первым автором статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, которая решает эту проблему. Вместе с исследователями из Чикагского университета и Университета Айовы Цви объединил знания из клеточной биологии, квантовых вычислений, традиционных полупроводников и телевизоров с QLED, чтобы создать революционный новый квантовый биодатчик. В процессе они пролили свет на давнюю загадку в области квантовых материалов.

Заключив алмазную наночастицу в специально разработанную оболочку — технология, вдохновленная телевизорами QLED, — команда ученых не только создала квантовый биосенсор, идеально подходящий для живой клетки, но и открыла новые возможности для модификации поверхности материала для улучшения его квантовых свойств.

«Это уже одно из самых чувствительных устройств на Земле, и теперь они нашли способ еще больше улучшить его в различных условиях», — сказал научный руководитель Цви, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Аарон Эссер-Кан, соавтор статьи.

Ячейка, полная бриллиантов!

Кубиты, размещённые в алмазных нанокристаллах, сохраняют квантовую когерентность даже тогда, когда частицы достаточно малы, чтобы их могла «поглотить» живая клетка — хорошая метафора: клетка их проглатывает и «жует», не выплёвывая. Но чем меньше алмазные частицы, тем слабее квантовый сигнал.

"Какое-то время людей волновало, что эти квантовые датчики могут быть встроены в живые клетки и, в принципе, быть полезными в качестве сенсоров", - сказал профессор Учикаго. Профессор Питер Маурер, соавтор статьи. "Однако, хотя такого рода квантовые датчики внутри большого куска объемного алмаза обладают действительно хорошими квантовыми свойствами, когда они находятся в алмазах, когерентные свойства, квантовые свойства, на самом деле значительно снижаются".

В этой ситуации Цви обратился за вдохновением к неожиданному источнику — телевизорам с квантовыми точками (QLED). QLED-телевизоры используют яркие флуоресцентные квантовые точки для передачи насыщенных и ярких цветов. В первые дни цвета были яркими, но нестабильными — они могли внезапно мерцать и пропадать.

"Исследователи обнаружили, что окружение квантовых точек тщательно продуманными оболочками подавляет вредные поверхностные эффекты и увеличивает их излучение", - сказал Цви. "И сегодня вы можете использовать ранее нестабильную квантовую точку в качестве элемента вашего телевизора".

Работая с экспертом по квантовым технологиям из Школы молекулярной инженерии и Химического факультета Чикагского университета, профессором Дмитрием Талипиным, соавтором статьи, Цви предположил, что поскольку обе проблемы — флуоресценция квантовых точек и ослабленный сигнал алмазных нанокристаллов — возникли из-за состояния поверхности, аналогичный подход может сработать.

Но поскольку датчик предназначен для работы внутри живого организма, не каждая оболочка будет работать. Эссер-Кан, эксперт в области иммуноинженерии, помог разработать кремний-кислородную (силоксановую) оболочку, которая одновременно улучшала бы квантовые свойства и не давала бы иммунной системе понять, что что-то не так.

«Свойства поверхности большинства этих материалов липкие и беспорядочные так, что иммунные клетки могут распознать, что это не должно быть здесь. Они выглядят как чуждый объект для иммунной клетки», — сказал Эссер-Кан. «Объекты, покрытые силоксаном, выглядят как большой гладкий шарик воды. И поэтому тело гораздо охотнее поглощает и «жует» такие частицы».

Предыдущие попытки улучшить квантовые свойства алмазных нанокристаллов с помощью инженерии поверхности показали ограниченный успех. В результате команда ожидала лишь скромных улучшений. Вместо этого они наблюдали до четырехкратного увеличения когерентности спинов.

Это увеличение, а также 1,8-кратное увеличение флуоресценции и отдельные значительные увеличения стабильности заряда стали загадкой, как сбивающей с толку, так и захватывающей.

Исследователи Рутгерского университета в Нью-Брансуике обнаружили новый класс материалов — интеркристаллы, обладающие уникальными электронными свойствами, которые могут стать основой для технологий будущего.

Интеркристаллы демонстрируют новооткрытые формы электронных свойств, способные проложить путь к созданию более эффективных электронных компонентов, квантовых вычислений и экологически чистых материалов, заявили ученые.

В отчете, опубликованном в научном журнале Nature Materials, ученые описывают, как они сложили два ультратонких слоя графена, каждый из которых представляет собой одноатомный слой углеродных атомов, расположенных в гексагональной решетке. Они обнаружили, что незначительное смещение между слоями, образующими муаровые узоры — узоры, подобные тем, которые наблюдаются при наложении двух мелкоячеистых экранов, — значительно изменило движение электронов через материал.

«Наше открытие открывает новый путь для проектирования материалов», — заявила Ева Андре, профессор Совета управляющих в кафедре физики и астрономии Рутгерского университета и ведущий автор исследования. «Интеркристаллы предоставляют нам новый инструмент для управления электронным поведением только с помощью геометрии, без необходимости изменения химического состава материала».

Понимая и контролируя уникальные свойства электронов в интеркристаллах, ученые могут использовать их для разработки технологий, таких как более эффективные транзисторы и сенсоры, которые ранее требовали более сложного сочетания материалов и процессов, отметили исследователи.

«Можно представить себе проектирование целой электронной схемы, где каждая функция — переключение и распространение сигнала — контролируется настройкой геометрии на атомном уровне», — добавил Джедидия Пиксли, доцент физики и соавтор исследования. «Интеркристаллы могут стать строительными блоками таких технологий будущего».

Открытие основано на развивающейся технике в современной физике, называемой «твистроника», где слои материалов искривляются под определенными углами для создания муаровых узоров. Эти конфигурации значительно изменяют поведение электронов в веществе, приводя к свойствам, не встречающимся в обычных кристаллах.

Основная идея была впервые продемонстрирована Андре и ее командой в 2009 году, когда они показали, что муаровые узоры в закрученном графене кардинально изменяют его электронную структуру. Это открытие стало основой для развития области твистроники.

Электроны — это крошечные частицы, которые перемещаются в материалах и отвечают за проводимость электричества. В обычных кристаллах, обладающих повторяющимся паттерном атомов, образующим идеально упорядоченную решетку, движение электронов хорошо изучено и предсказуемо. Если кристалл повернуть или сдвинуть под определенными углами или расстояниями, он будет выглядеть одинаково благодаря внутреннему свойству, известному как симметрия.

Тем не менее, исследователи обнаружили, что электронные свойства интеркристаллов могут значительно варьироваться при небольших изменениях их структуры. Эта изменчивость может привести к новым и необычным поведением, таким как сверхпроводимость и магнетизм, которые обычно не встречаются в обычных кристаллах. Сверхпроводящие материалы обещают непрерывный поток электрического тока, поскольку они проводят электричество с нулевым сопротивлением.

Интеркристаллы могут стать основой новых схем для электроники с низкими потерями и атомных сенсоров, которые сыграют важную роль в создании квантовых компьютеров и поддержке новых форм потребительских технологий, утверждают ученые.

Эти материалы также открывают перспективу функционирования в качестве основы для более экологически чистых электронных технологий.

«Поскольку эти структуры могут быть созданы из обильных, нетоксичных элементов, таких как углерод, бор и азот, а не из редкоземельных металлов, они предлагают более устойчивый и масштабируемый путь для будущих технологий», — отметил Андрей.

Интеркристаллы не только отличаются от традиционных кристаллов, но и кардинально отличаются от квази-кристаллов — особого типа кристаллов, открытого в 1982 году, имеющих упорядоченную структуру, но лишенных повторяющегося паттерна, характерного для обычных кристаллов.

Члены исследовательской группы назвали свою находку «интеркристаллами», поскольку они представляют собой сочетание кристаллов и квази-кристаллов: они обладают неповторяющимися узорами, как квази-кристаллы, но при этом разделяют симметрии, присущие обычным кристаллам.

«Открытие квази-кристаллов в 1980-х годах бросило вызов старым представлениям о атомном порядке», — сказал Андрей. «С интеркристаллами мы делаем шаг вперед, демонстрируя, что материалы могут быть спроектированы для доступа к новым фазам вещества, используя геометрическую фрустрацию на самом мелком уровне».

Исследователи Рутгерского университета с оптимизмом смотрят на будущие применения интеркристаллов, открывая новые возможности для изучения и манипулирования свойствами материалов на атомном уровне.

«Это только начало», — добавил Пиксли. «Мы с нетерпением ждем, куда приведет нас это открытие и как оно повлияет на технологии и науку в предстоящие годы».

В исследовании также приняли участие другие ученые Рутгерского университета, включая научных сотрудников Синьюаня Лая, Гохонга Ли и Анджелу Ко из кафедры физики и астрономии. Ученые из Национального института материаловедения Японии также внесли свой вклад в это исследование.

Переход от двухмерного к трехмерному пространству может существенно повлиять на поведение системы, будь то складывание листа бумаги в бумажный самолетик или закручивание проволоки в спиральную пружину. На наноуровне, в тысячу раз меньшем диаметра человеческого волоса, мы приближаемся к фундаментальным масштабам длины, характерным, например, для квантовых материалов.

На таких масштабах формирование нано-геометрий может привести к изменениям в свойствах самого материала, а переход к трехмерное пространство открывает новые способы настройки функциональности, нарушая симметрии, вводя кривизну и создавая взаимосвязанные каналы.

Несмотря на эти захватывающие перспективы, одной из основных задач остается: как реализовать такие сложные трехмерные геометрии на наноуровне в квантовых материалах? В новом исследовании международная команда, возглавляемая учеными из Института Макса Планка по химической физике твердых тел, создала трехмерные сверхпроводящие наноструктуры, используя технику, подобную нано-3D-принтеру.

Им удалось локально контролировать сверхпроводящее состояние в трехмерном мостовидном сверхпроводнике и даже продемонстрировать движение сверхпроводящих вихрей — нано-дефектов в сверхпроводящем состоянии — в трехмерном пространстве. Работа была опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Сверхпроводники — это материалы, известные своей способностью демонстрировать нулевое электрическое сопротивление и вытеснять магнитные поля. Это поразительное поведение возникает в результате формирования так называемых пар Купера — связанных пар электронов, которые движутся согласованно через материал, не рассекаясь.

«Одной из главных задач является получение контроля над этим сверхпроводящим состоянием на наноуровне, что является ключом к исследованию новых эффектов и будущей разработке технологических устройств», — объясняет Элина Жакина, постдокторант Института Макса Планка и первый автор исследования.

При формировании сверхпроводников в трехмерных нано-геометрических фигурах международная команда, в состав которой вошли исследователи из Германии (MPI CPfS, IFW) и Австрии (TU Wien, Университет Вены), смогла локально контролировать сверхпроводящее состояние — то есть «выключать» сверхпроводимость в различных частях наноструктуры.

Это сосуществование сверхпроводящих и «нормальных» состояний может привести к квантовым механическим эффектам, таким как так называемые слабые связи, которые, например, используются для ультра-чувствительных датчиков. Однако до настоящего времени такой контроль обычно требовал проектирования структур, например, в плоских тонких пленках, где сосуществование состояний предопределено.

«Мы обнаружили, что возможно включать и выключать сверхпроводящее состояние в различных частях трехмерной наноструктуры, просто вращая структуру в магнитном поле», — сказала Клэр Доннелли, руководитель группы Лиз Мейтнер в MPI-CPfS и последний автор работы. «Таким образом, нам удалось реализовать 'перенастраиваемое' сверхпроводящее устройство».

Реализация перенастраиваемой функциональности открывает новую платформу для создания адаптивных или многоцелевых сверхпроводящих компонентов. Это, наряду с возможностью передачи дефектов сверхпроводящего состояния, открывает путь к сложной сверхпроводящей логике и нейроморфным архитектурам, закладывая основу для нового поколения перенастраиваемых сверхпроводящих технологий.