Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#946   morozov » Пт ноя 02, 2018 18:03

Применение материалов на основе графенав 2D печатных технологиях
И.В. Антонова а, б

а Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, просп. Лаврентьева 13, Новосибирск, 630090, Российская Федерация
б Новосибирский государственный университет, Академгородок, ул. Пирогова 2, Новосибирск, 630090, Российская Федерация

Анализируются основные работы по использованию графена и других монослойных материалов для 2D печатных технологий создания приборов и устройств современной электроники и фотоники. Рассмотрены различные методы получения суспензий, свойства напечатанных слоёв, примеры и параметры конкретных напечатанных устройств, а также главные тенденции развития данного направления. Особо отмечается смена концепции получения суспензий графена, в результате которой вместо органических жидкостей для расслоения графита и создания жидкой композиции чернил стали использовать растворы на водной основе. Кроме того, анализируется тенденция использования чернил со всё более и более высокой концентрацией графена, что позволяет получать напечатанные слои с высокой проводимостью. Рассмотрено также расширение спектра используемых материалов.
https://ufn.ru/ufn17/ufn17_2/Russian/r172g.pdf
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#947   morozov » Вт ноя 13, 2018 12:10

Золотые наночастицы обнаружены в диких растениях

Исследования, проведенные в последние годы, убедительно показали, что наночастицы могут проникать в растения и даже проходить через прочные клеточные стенки (см., например, ПерсТ [1]). Были обнаружены как вредные эффекты, так и положительное влияние наноматериалов на рост и развитие растений. Механизмы воздействия очень сложные и требуют серьезного изучения. Следует заметить, что в подавляющем большинстве эксперименты проводили с культурами растений в лабораторных условиях. Например, в работе [2] было показано, что добавление в питательную среду наночастиц золота приводит к существенному улучшению роста растения Arabidopsis thaliana (“лабораторной мыши” аграрных наук). Недавно китайские ученые опубликовали первые результаты исследований Au наночастиц в дикорастущих растениях [3]. Авторы работы обнаружили эти наночастицы в двух растениях, широко распространённых в провинции Гуандун на юге Китая. Это сорняк Erigeron canadensis (мелколепестник канадский) и травянистый кустарник Boehmeria nivea (рами, или китайская крапива) (рис. 1).
Изображение Изображение
Рис. 1. Изученные в работе [3] дикорастущие растения.
Слева – E. canadensis (мелколепестник канадский), справа – B. nivea (китайская крапива).
Известно, что золото (в виде ионов или наночастиц) может попадать в корни растений из почвы и накапливаться в листве. В данном случае в образцах почвы золота не обнаружили [3]. Однако исследователи отметили, что поблизости имеется завод гальванических покрытий, один из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды. Наноматериалы могут попадать в растения из атмосферы через поры в листьях. Для проверки этого предположения авторы [3] приготовили образцы из стеблей растений и с помощью электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и дифракции электронов изучили размер, форму, элементный состав и другие характеристики обнаруженных наночастиц. Выяснилось, что частицы распределены вокруг клеточного скелета. Наночастицы в E. canadensis имеют неправильную форму, размеры в диапазоне 20-50 нм и состоят из Au (~32%), O (~45%), Cu (~18%) и Cl (~5%) или только из Au (~50%) и O (~50%) (рис. 2). Наночастицы в B. nivea имеют сферическую, эллиптическую или другую округлую форму, размеры в диапазоне 20-50 нм и состоят из Au (~55%) и O (~45%) (рис. 3). Как видно на дифракционных электронограммах (рис. 2, 3), в обоих случаях частицы являются кристаллическими. Большинство полученных характеристик соответствует антропогенному происхождению наночастиц, что подтверждает предположение авторов [3].
Изображение
Рис. 2. TEM, EDS и электронная дифракция содержащих золото наночастиц для E. Canadensis (Ni – от сетки микроскопа).
Изображение
Рис. 3. TEM, EDS и электронная дифракция содержащих золото наночастиц для B. nivea (Ni – от сетки микроскопа).

По мнению исследователей, полученные результаты имеют большое значение для разработки новых методов очистки атмосферы от загрязнений наноматериалами, а также для “сбора” золота с помощью дикорастущих растений.

О. Алексеева

1. ПерсТ 20, вып. 1/2, с. 4 (2013).

2. V.Kumar et al., Sci. Total Environ. 461–462, 462 (2013).

3. X.Luo, J.Cao, Environ. Chem. Lett. (2018). https://doi.org/10.1007/s10311-018-0749-0
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#948   morozov » Пн ноя 19, 2018 14:21

Страничка давнего участника нашего форума, моего земляка Александра Титива
Alexander N Titov
49.16 Dr.

Область моих интересов заключается в синтезе новых сильнокоррелированных халькогенидов переходных металлов с низким коэффициентом D и всестороннем исследовании их кристаллической и электронной структуры, электронных, магнитных и других физических свойств, а также термодинамической стабильности. Поскольку эти материалы показывают высокую анизотропию структуры и свойств, для исследований необходимы монокристаллы. Поэтому выращивание и характеристики монокристаллов является важной частью моей работы.
Навыки и опыт (55)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#949   morozov » Чт ноя 22, 2018 23:05

“Deep State” в мультиферроиках

Концепция “глубинного государства” (“Deep State”) относится к разряду конспирологических теорий, и о продуктивности такого подхода к анализу мировой ситуации можно спорить. Однако если под “state” понимать “состояние” как некий скрытый порядок, то такая концепция, определенно, может оказаться полезной в естественных науках, в частности в физике мультиферроиков.

Красивой иллюстрацией этого является недавняя работа международной команды исследователей под руководством проф. М. Фибига (Manfred Fiebig) из Швейцарской высшей технической школы [1], посвященная инверсии доменной структуры. Обычный сценарий перемагничивания предполагает переход из одного однодоменного состояния в другое с противоположным направлением параметра порядка. Здесь же происходит нечто странное: конечное и начальное состояния представляют собой многодоменные состояния, отличающиеся друг от друга как негативный фотоотпечаток от исходного изображения (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Перестройка сегнетоэлектрической доменной структуры в мультиферроике Mn2GeO4 при воздействии магнитного поля.
Фотографии получены методом генерации второй гармоники.
При этом природа упорядочения может быть различной: магнитной, сегнетоэлектрической, сегнетоэластической. Авторы [1] продемонстрировали явление инверсии параметра порядка под действием магнитного поля не только на ферромагнитных доменах в магнито-электрике Co3TeO6, но и на сегнетоэлектрических доменах мультиферроика Mn2GeO4.

Авторы [1] предлагают следующий механизм инверсии контраста: видимая структура является совместным произведением переключаемого магнитным полем спинового упорядочения и “глубинной” структуры, скрытой от наблюдения, но хранящей информацию об изначальном порядке и проявляющейся снова уже после насыщения в магнитном поле (рис. 2). Изменение знака переключаемого магнитного порядка при неизменном “глубинном” упорядочении приводит к инверсии наблюдаемой структуры – ферромагнитной или сегнетоэлектрической.
Изображение
Рис.2. Схематическое изображение магнитоэлектрического механизма перемагничивания с инверсией сегнетоэлектрических доменов: нижний слой символически изображает скрытую магнитоэлектрическую структуру, отвечающаю за память об исходном состоянии (для наглядности она расположена на месте подложки, но это означает не столько ее локализацию в глубине кристалла, сколько невозможность непосредственного наблюдения), средний слой – переключаемую магнитным полем спиновую структуру, верхний слой – визуально наблюдаемую сегнетоэлектрическую доменную структуру [2].
Может сложиться представление, что память об исходной структуре сохраняется благодаря пиннингу доменных стенок на границах “глубинной” структуры. Однако это не совсем так, поскольку промежуточные состояния наблюдаемой доменной структуры (рис. 1b) имеют мало общего с исходным узором, но, тем не менее, при дальнейшем изменении магнитного поля первоначальный узор воспроизводится в инвертированном контрасте (рис. 1с).

Подобная инверсия представляет не только академический интерес: на практике, например, в магнитной резонансной томографии или при подавлении акустических шумов часто стоит проблема инверсии сигнала, а сигнал, записанный в форме магнитных доменов в мультиферроиках со скрытой магнитоэлектрической структурой, может дать такую возможность.

А. Пятаков

1. N.Leo et al., Nature 560, 466 (2018).

2. Новости Швейцарской высшей технической школы Цюриха:
https://www.ethz.ch/en/news-and-events/ ... rsion.html
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#950   morozov » Вт дек 04, 2018 21:10

Новое ограничение на электрический дипольный момент электрона
1 декабря 2018

Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает наличие у электрона асимметрии распределения заряда вдоль направления спина — электрического дипольного момента (ЭДМ), но его величина намного меньше, чем можно измерить в современных экспериментах. Некоторые теории, в которых вводится «новая физика» за пределами Стандартной модели, дают значительно больший ЭДМ, и эти предсказания уже можно проверять. В эксперименте ACME II установлено новое ограничение на ЭДМ электрона |de|<1,1 × 10-29 e см, которое на порядок улучшает ограничение, полученное пять лет назад коллаборацией ACME в похожем эксперименте с молекулами монооксида тория. Сильное внутримолекулярное электрическое поле в молекулах ThO взаимодействует с ЭДМ электронов и вызывает прецессию их спинов. Величину ЭДМ можно найти из разности углов прецессии в квантовых состояниях с различными направлениями ЭДМ. Измерения выполнялись путём облучения молекул светом лазера и регистрации их флуоресцентного излучения. Из данных эксперимента также получены новые ограничения на допустимые параметры «новой физики». В частности, возникают сложности для некоторых вариантов теории суперсимметрии, что снижает шансы обнаружения суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере. Источник: Nature 562 355 (2018)

Подсчёт числа фононов в микроосцилляторе
1 декабря 2018

В ряде экспериментов уже наблюдались колебания механических осцилляторов вблизи квантового уровня (с малыми числами заполнения фононов). Для измерения состояний и управления колебаниями осцилляторы объединялись со сверхпроводящими кубитами, но создать между ними сильную связь ранее не удавалось. Исследователи из Национального института стандартов и технологий и Колорадского университета в Боулдере (США) J.J. Viennot, X. Ma и K.W. Lehnert использовали для этой цели зарядово-чувствительный кубит. Осциллятор представлял собой алюминиевую мембрану размером в несколько мкм. Под влиянием электрического поля на разных концах мембраны скапливались положительный и отрицательный заряды. Механические колебания мембраны с частотой 25 МГц приводили заряды в движение, и они воздействовали на кубит, вызывая сдвиг его основной частоты 4 ГГц на величину 0,52 МГц (в пересчёте на один фонон). Информация о распределении фононов содержалась в измеренной спектральной функции кубита. Также исследовано воздействие на систему микроволновых импульсов на нижней боковой полосе колебаний кубита, промодулированных частотой осциллятора. Этот сигнал позволял управлять состояниями Фока осциллятора с точностью до примерно семи фононов, и с его помощью удавалось охлаждать осциллятор, в 8 раз повышая населённость его основного состояния. Данный подход может найти применение в квантовой микромеханике. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 183601 (2018)

Диэлектрическая резонансная антенна
1 декабря 2018

П. Капитанова (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) и соавторы разработали и создали диэлектрическую резонансную антенну, предназначенную для когерентного управления большим ансамблем NV-центров в алмазе. Антенна имеет вид полого диэлектрического цилиндра диаметром 12,5 мм и высотой 6 мм. Внутрь цилиндра на его оси помещается алмаз с NV-центрами. Резонансная электромагнитная мода с частотой 2,84 ГГц возбуждается проводящей петлёй, расположенной у основания цилиндра, причём магнитное поле внутри цилиндра оказывается с высокой степенью однородным. Благодаря этому электронные спины NV-центров хорошо синхронизируются, что повышает оптический сигнал на выходе. Была достигнута частота Раби 10 МГц, постоянная вдоль образца с точностью 1 %. Подобная антенна может быть использована в ультрачувствительных сенсорах. Источник: Письма в ЖЭТФ 108 625 (2018)

Оптический гироскоп
1 декабря 2018

Принцип работы оптических гироскопов основан на измерении разности фаз световых лучей, прошедших в двух направлениях по кольцевому волноводу (об эффекте Саньяка см. в УФН 172 849 (2002), УФН 184 775 (2014)). Оптические гироскопы не имеют движущихся механических частей, однако их чувствительность ограничена тепловыми флуктуациями и дефектами изготовления. Исследователи из Калифорнийского технологического института (США) P.P. Khial, A.D. White и A. Hajimiri продемонстрировали оптический гироскоп новой конструкции, чувствительность которого повышена на 1-2 порядка по сравнению с волоконно-оптическими гироскопами при том что по площади он занимает всего 2 мм2. В новом приборе с помощью электронных переключателей оптические входы и выходы меняются местами и применяется пара колец. Медленные тепловые флуктуации одинаково воздействуют на свет, распространяющийся в двух направлениях, поэтому переключение направлений позволяет скомпенсировать влияние флуктуаций. Благодаря малым размерам новый гироскоп может быть интегрирован в различные мобильные устройства. Источник: Nature Photonics 12 671 (2018)

Формирующееся скопление галактик в ранней Вселенной
1 декабря 2018

Наблюдаемые скопления галактик возникли сравнительно недавно, на красных смещениях z<1-2,5. В более ранние эпохи скопления были очень редки, но существовали их предшественники — невириализованные (не пришедшие в гравитационное равновесие) области с повышенной концентрацией галактик — протоскопления. Свойства протоскоплений представляют интерес, в частности, для моделей неоднородной реионизации. L. Jiang (Пекинский университет, КНР) и соавторы выполнили поиск протоскоплений на z>5. Отбирались кандидаты из обзора галактик Subaru/XMM-Newton, которые затем изучались спектрографом на 6,5-метровых Магеллановых телескопах в Чили. Таким путем была исследована область на небесной сфере размером в 4 квадратных градуса и обнаружено гигантское протоскопление галактик на z=5,7. Оно имеет массу 3,6 × 1015M☉ и занимает объем 35×35×35 сопутствующих Мпк2. Источник: Nature Astronomy 2 962 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#951   morozov » Пн дек 17, 2018 14:45

МУЛЬТИФЕРРОИКИ

Фтороперовскит NaMnF3: новый виртуальный мультиферроик

Как часто бывает в науке, рождение новой области или возрождение интереса к ранее известной проблеме, начинается с вопроса, поставленного подчас в острой, даже провокационной форме. Так, ренессанс магнитоэлектрической тематики в начале столетия ознаменовался статьей “Почему так мало магнитных сегнетоэлектриков?” [1]. Спустя десятилетие интенсивных исследований мультиферроиков, преимущественно оксидов, ироническим парафразом прозвучал обзор “Магнитные фториды: почему так много магнитных сегнетоэлектриков” [2], в котором на примере веществ, находившихся на периферии магнитоэлектрических исследований, было показано, что сегнетоэлектричество в магнитоупорядоченных средах не столь уж редкое явление. Примечательно, что за рамками этого обзора остались фториды со структурой перовскита как материалы с хорошо изученными магнитными и другими свойствами, но считавшиеся малоперспективными в магнитоэлектрическом отношении. Однако, недавние расчеты из первых принципов показали, что кристаллическая решетка фтороперовскитов характеризуется сегнетоэлектрической неустойчивостью, а магнитный перовскит NaMnF3 может обладать магнитоэлектрическими свойствами [3].

В недавней работе исследователей из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН [4] были впервые экспериментально изучены температурные зависимости диэлектрических свойств NaMnF3, а также ряда других магнитных и немагнитных фтороперовскитов. Результаты исследований не только подтвердили предсказания первопринципных расчетов [3], но и преподнесли ряд сюрпризов (см. рис.).

Изображение
Рис. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости фтороперовскита NaMnF3.
На вставках: а - производная от проницаемости по температуре с четкой аномалией в точке Нееля TN ~ 66 K; b - зависимость обратной проницаемости, которая отклоняется от классического закона Кюри-Вейса; с - магнитодиэлектрический эффект (MD), пропорциональный квадрату магнитного параметра порядка.

Во-первых, бросается в глаза сильный аномальный рост диэлектрической проницаемости с понижением температуры, достигающий 170% от высокотемпературной величины, что, действительно, свидетельствует о наличии сегнетоэлектрической неустойчивости. Во-вторых, в низкотемпературном диапазоне этот рост уже не описывается классическим законом Кюри-Вейса, а намного лучше описывается зависимостью Барретта, характерной для квантовых параэлектриков. В этом отношении фтороперовскит NaMnF3 подобен известному “виртуальному сегнетоэлектрику” (incipient ferroelectric) титанату стронция SrTiO3, в котором квантовые флуктуации препятствуют сегнетоэлектрическому упорядочению. И далее, при охлаждении ниже температуры магнитного упорядочения TN ~ 66 K, экспериментальная кривая существенно отклоняется от квантовой зависимости за счет гигантского магнитодиэлектрического эффекта Δεm ~ 25% (MD effect), что свидетельствует о связи нестабильности решетки с магнетизмом.

Таким образом, данное исследование выявило новую группу магнитоэлектрических перовскитов, альтернативных оксидным соединениям, со многими физическими свойствами, существенно отличными от оксидов (очень низкие диэлектрические потери, большая ширина запрещенной зоны и др.). Полученные результаты позволяют предсказать существование интересных проявлений магнитоэлектрических взаимодействий в других фтороперовскитах, например в NaCrF3 (ян-теллеровский ион Cr2+), в NaFeF3 (ион Fe2+ с сильной спин-орбитальной связью) и в других. Это исследование открывает интересные перспективы перед деформационной инженерией, примером которой служит индуцированное механическими напряжениями сегнетоэлектрическое состояние в титанате стронция. Действительно, напряженные пленки NaMnF3 и возможно других фтороперовскитов могут из виртуальных мультиферроиков перейти в реальные

А. Пятаков

1. N.A.Hill, J. Phys. Chem. B 104, 6694 (2000).

2. J.F.Scott and R. Blinc, J. Phys.: Condens. Matter 23, 299401 (2011).

3. A.C.Garcia-Castro et al., Phys. Rev. B 89, 104107 (2014).

4. R.M.Dubrovin et al., Phys. Rev. B 98, 060403(2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#952   morozov » Чт дек 20, 2018 16:44

Наночастицы повысят контрастность МРТ

Магнитно-резонансная томография - важнейший инструмент современной медицины. Она позволяет врачам диагностировать образование опухолей и определять границы новообразований, оценивать результаты лечения, изучать характеристики кровотока, получать изображения головного мозга. Именно поэтому в данный момент активно ведутся исследования, направленные на дальнейшее совершенствование этой методики. О новой работе российских ученых, посвященной изучению контрастирующих веществ на основе наночастиц оксида железа, «ФИАН-информ» рассказал заведующий криогенным отделом ФИАН, д.ф.-м.н., профессор Евгений Иванович Демихов.



Метод магнитно-резонансной томографии основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Во всех тканях человеческого организма содержится вода, в состав которой входят атомы водорода. Ядро каждого атома имеет ненулевой спин, причем при отсутствии внешнего воздействия спины могут иметь случайное направление. Если же поместить атомы в постоянное магнитное поле, то большинство спинов повернутся в направлении поля. При этом спины будут иметь возможность перевернуться, поглощая электромагнитное излучение с определенной (резонансной) частотой. Наблюдая за поглощением, мы можем получать изображение внутренней структуры организма. Через некоторое время после переворота спина происходит релаксация – атомы возвращаются в начальное состояние. Релаксация может быть вызвана различными причинами, при этом в каждой из тканей организма она происходит по-разному, что и позволяет нам различать их границы на томограмме.

Для повышения контрастности изображения были разработаны контрастирующие вещества, или контрасты. Помещенные в организм, такие вещества накапливаются в определенных областях (например, опухолях) и меняют время релаксации спинов, что позволяет увидеть необходимое место на томограмме более четко. На сегодняшний день наиболее распространенными являются контрасты на основе гадолиния: они повышают интенсивность сигнала за счет увеличения времени так называемой продольной релаксации, которая объясняется взаимодействием атомов с окружением. Очевидным минусом таких препаратов является токсичность гадолиния, который может вызывать различные аллергические реакции и даже привести к смерти пациента. Кроме того, гадолиний довольно быстро выводится из организма, что лишает врачей возможности проводить длительные исследования.
Изображение

Структура (слева) и схема синтеза (справа) магнитной наночастицы


Группа ученых из ФИАН, РНИМУ им. Пирогова и РХТУ им. Менделеева провела исследование наночастиц оксида железа, которые также являются контрастирующим веществом, но действуют по другому принципу: они снижают интенсивность ЯМР-сигнала, сокращая время поперечной релаксации, связанной с взаимодействием спинов между собой. Явным преимуществом в данном случае является биосовместимость и биоразлагаемость вещества. Кроме того, повышается время циркуляции контраста в крови.
Изображение

Оценка эффективности в экспериментах in vivo: скан в МРТ 1,5 Тл для мозга крысы
В ходе эксперимента ученые исследовали зависимость времени поперечной релаксации от концентрации при различных величинах магнитного поля, чтобы определить область применения данного препарата. Оказалось, препарат эффективен в широком диапазоне магнитных полей и действительно позволяет получить томограммы головного мозга с улучшенным контрастом. Кроме того, были исследованы наночастицы со специальной белковой оболочкой, которая не позволяет им «слипаться» при циркуляции в крови.

На сегодняшний момент все еще не создан препарат, который мог бы стать успешным на коммерческом рынке, а потому необходимо дальнейшее изучение свойств и поведения наночастиц.


К.Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#953   morozov » Вс дек 23, 2018 12:25

Нанокомпозит растет и упрочняется, используя CO2
из окружающего воздуха и солнечный свет


Исследователи из Massachusetts Inst. of Technology (США) создали материал, который растет, упрочняется и даже восстанавливается после повреждений, используя CO2 из окружающего воздуха и солнечный свет [1].

Разработки материалов, способных к самовосстановлению, ведутся давно, и некоторые успехи уже достигнуты. Однако во всех предложенных подходах требуются внешние стимулы – нагрев, УФ-облучение, химическое воздействие. Авторы [1] воспользовались подсказкой природы и для превращения углекислого газа в органические вещества использовали хлоропласты – центры фотосинтеза в растениях.

Моносахарид глюкоза, основной продукт фотосинтеза, образуется при восстановлении СО2 за счёт энергии, аккумулированной в ходе световой стадии. Исследователи получили хлоропласты из свежих листьев шпината и внедрили их в свой новый материал. Другими важными компонентами исходной реакционной смеси являются мономер аминопропилметакриламид (APMA), фермент глюкозооксидаза (GOx) и буферный раствор. Под действием фермента GOx глюкоза, получаемая из хлоропластов, превращается в глюконолактон (GL), который реагирует с мономерами и образует гелеподобную полимерную матрицу GPMAA (рис. 1).

Изображение
Рис. 1. Синтезированный гидрогель (GPMAA) с внедренными хлоропластами.

До тех пор, пока хлоропласты производят глюкозу из атмосферного СО2, гелевая матрица растет и упрочняется. Через 6 ч от начала облучения солнечным светом материал, похожий на гидрогель, начал образовываться вокруг хлоропластов (рис. 2). Через 18 ч, когда процесс завершился, толщина пленки увеличилась до 20 мкм. Материал стал более прочным. Если через 6 ч модуль сдвига составлял 0,4 кПа, то через 18 ч он увеличился до 3 кПа.

Изображение

Рис. 2. Гидрогель растёт вокруг хлоропластов в среде, содержащей фермент GOx и мономер APMA (0,1 масс/об %).
Условия роста – СО2 из воздуха и солнечное освещение в течение 18 ч после одного часа темновой стадии. Шкала 5 мкм.

Исследователи нашли возможность ускорить рост материала и сделать его более прочным. Они добавили оксид графена – всего 0,01 масс.%. Этого оказалось достаточно для иммобилизации (прикрепления) фермента глюкозооксидазы (GOx) на поверхности пластинок оксида графена (рис. 3). Гидрогель сформировался за 6 ч – в 3 раза быстрее. Более того, модуль сдвига материала за эти 6 ч вырос до 3,7 кПа, т.е. до большей величины, чем у гидрогеля без графена за 18 ч (3 кПа). По мнению авторов, графен ускоряет сшивание полимера и упрочняет материал благодаря образованию дополнительных связей между функциональными группами оксида графена и цепочками GPMAA.

Изображение

Рис. 3. Схематическая иллюстрация формирования гидрогеля на пленке оксида графена. Среда, в которую помешены хлоропласты, содержит 0,1 % APMA и глюкозооксидазу GOx. Глюкоза, выделяемая из хлоропластов, с помощью фермента GOx, иммобилизованного на пленке оксида графена, превращается в глюконолактон (GL), который реагирует с мономерами и образует гелеподобную полимерную матрицу GPMAA.


К сожалению, активность хлоропластов вне клеток растений довольно быстро снижается. В своих предыдущих исследованиях ученые предположили, что внедрение в хлоропласты наноматериалов, способных подавлять активные формы кислорода (АФК), может повысить эффективность фотосинтеза. Они синтезировали наночастицы оксида церия, которые, как известно, имеют высокую антиоксидантную активность, нашли способы их доставки в хлоропласты и экспериментально подтвердили свои предположения (подробнее см. ПерсТ [2]). В новой работе исследователи также внедрили в хлоропласты наночастицы оксида церия, считая, что снижение уровня АФК может повысить стабильность синтеза глюкозы. Действительно, время жизни изолированных хлоропластов в результате удаления из них активных форм кислорода увеличилось, что привело к большему накоплению глюкозы в среде. Таким образом, в усовершенствованном варианте нового материала хлоропласты стабилизированы внедренными наночастицами оксида церия. Авторы считают, что время жизни хлоропластов зависит от растения, из которого они получены, и может быть в диапазоне от нескольких часов до нескольких месяцев.

Интересно, что гидрогель способен устранять полученные повреждения (например, разрывы) под действием солнечного света (или комнатного освещения) (рис. 4). Это совершенно новый механизм. Самовосстановление происходит благодаря выделению из хлоропластов глюкозы, которая и “сшивает” разрыв.

Изображение
Рис. 4. Самовосстановление гидрогеля после светового воздействия в течение ночи. Схема иллюстрирует механизм восстановления. Молекулы глюкозы, поставляемые хлоропластами, сшивают разрыв.

Конечно, синтезированный материал пока недостаточно прочный. Но его применение в качестве покрытий, способных устранять свои повреждения (трещины) вполне реально. В дальнейшем, как надеются исследователи, этот новый класс материалов будет использоваться как в биомедицине, так и при создании новых конструкционных материалов.

О. Алексеева

1. S.-Y.Kwak et al., Adv. Mater. 30, 1804037 (2018).

2. ПерсТ 21, вып. 11/12, с.4 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#954   morozov » Ср дек 26, 2018 11:05

Осцилляции реакторных антинейтрино
1 января 2019

Представлены новые уточнённые данные эксперимента RENO по осцилляциям электронных антинейтрино анти-νe, рождающихся в атомных реакторах. С помощью одинаковых ближнего и дальнего детекторов в течение 2200 дней регистрировались анти-νe от шести реакторов и изучалось изменение потока анти-νe по пути между ними. В детекторах анти-νe вызывали процессы обратного бета-распада анти-νe+p → e+n на ядрах углеводородного сцинтиллятора, содержащего примесь гадолиния Gd. Регистрировались гамма-фотоны от аннигиляции позитронов и от процессов поглощения нейтронов ядрами Gd по схеме совпадений с задержкой. Полученные данные показывают явную периодическую зависимость от отношения L/Eν пройденного анти-νe пути L к его энергии Eν, как это и должно быть при осцилляциях. Вблизи Eν ≈ 5 МэВ в обоих детекторах наблюдается некоторое отличие регистрируемого энергетического спектра анти-νe от рассчитанного спектра. Объяснение данного расхождения требует уточнения моделей генерации нейтрино в реакторах. Для параметров нейтринных осцилляций получены величины sin2(2θ13)=0,0896 ± 0,0048(стат.) ± 0,0047(сист.) и |Δ m232|=(2,63 ± 0,14) × 10-3 эВ2 (в случае нормальной иерархии масс). Источник: Phys. Rev. Lett. 121 201801 (2018)

Тест Белла в оптомеханике
1 января 2019

В последние годы в ряде экспериментов были получены квантово-запутанные состояния колебательных мод макроскопических механических осцилляторов между собой и с фотонами. S. Groblacher (Делфтский технический университет, Нидерланды) и его коллеги впервые проверили нарушение неравенств Белла для механических осцилляторов, состоящих каждый из 1010 атомов и находящихся в запутанном состоянии с полем излучения. Два кремниевых осциллятора в форме стержней длиной 10 мкм находились в двух плечах интерферометра. Прохождение фотонов через стержни вызывало их механические колебания. Затем через интерферометр пропускались повторные лазерные импульсы, которые взаимодействовали с колеблющимися осцилляторами, в результате чего происходило смешивание частот фононов и переизлучаемых фотонов. Импульсы регистрировались детекторами на выходе из интерферометра, и исследовались корреляции между импульсами со смещениями частоты вверх или вниз. Измеренный коэффициент корреляций S = 2,174+0,041-0,042 нарушает неравенство Белла S < 2 на уровне четырех стандартных отклонений, что опровергает наличие скрытых параметров в квантовомеханическом описании системы. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 220404 (2018)

Параллельные частотные кубиты
1 января 2019

P. Lougovski (Национальная лаборатория Ок-Ридж, США) и его коллеги реализовали квантовые вентили на двух параллельных запутанных кубитах, разнесённых по частоте, в одном и том же оптоволокне. Частотное квантовое кодирование информации имеет хорошие перспективы для применения в квантовой коммуникации и в квантовых вычислениях, поскольку оно способно поддерживать множество кубитов в одном оптоволокне, но сложность представляет смешивание частот с поддержанием низкого уровня шума. В эксперименте, в котором применялись электрооптические фазовые модуляторы и двухфотонные частотные гребёнки, наблюдалась интерференция Хонга – У – Мандела с видимостью 97 %. Это позволило выполнять различные независимые операции одновременно на двух кубитах, закодированных на фотонах разных частот в оптоволокне. Источник: Optica 5 1455 (2018)

Линза для экстремального УФ-излучения
1 января 2019

Обычные линзы из твердых материалов неприменимы для фокусировки света экстремального УФ-диапазона из-за сильного поглощения света в веществе. В этой области спектра обычно используются отражающие зеркала и дифракционные пластины. L. Drescher (Институт им. Макса Борна, Германия) и соавторы сконструировали новую линзу для экстремального УФ-диапазона, которая состоит не из твёрдого материала, а образована струёй газа. Свет под прямым углом пересекает струю, имеющую поперечный градиент плотности. Вблизи атомных резонансов переизлучение фотонов атомами гелия приводит к изменению их фаз, и сложение фаз световых волн, прошедших через струю, вызывает фокусировку луча, аналогично тому как это делала бы цилиндрическая линза. Фокусное расстояние газовой линзы можно регулировать путём изменения плотности газа. Удалось сузить пучок света экстремального УФ-диапазона от исходной толщины 2,7 мм до 410 мкм. Минимальным масштаб ограничен геометрической и хроматической аберрацией, но может быть уменьшен по мере совершенствования методики. А применение второй перпендикулярной струи газа могло бы сузить пучок света и во втором направлении. Новая линза может оказаться полезной, в частности, для наблюдения структурных изменений биомолекул на коротких временных масштабах. Источник: Nature 564 91 (2018)

Космологические рекомбинационные радиолинии
1 января 2019

Радиочастотные рекомбинационные линии в космосе возникают за счёт вынужденных переходов между высоковозбуждёнными электронными уровнями ридберговских атомов. В условиях разреженной космической среды населённость этих уровней может быть относительно высокой. До сих пор рекомбинационные радиолинии наблюдались только от газа в нашей Галактике и от близких галактик. K.L. Emig (Лейденская обсерватория, Нидерланды) и соавторы с помощью сети телескопов-радиоинтерферометов LOFAR впервые зарегистрировали рекомбинационные радиолинии на космологическом расстоянии в спектре квазара 3C 190 на z = 1,1946. Наблюдался набор из 13 линий, соответствующих переходам с главными квантовыми числами n = 266-301. Радиолинии обнаружены с достоверностью > 5 σ. Возможны различные сценарии происхождения данных линий. Они могут возникать как на атомах водорода, так и на атомах углерода в карликовой галактике на луче зрения. Причём, углерод должен находиться в холодных нейтральных облаках газа, а водород – в горячих облаках с высокой степенью ионизации. Также линии могут возникать в потоках газа из активного ядра галактики, но эта модель встречает некоторые трудности, связанные с большой скоростью газа. Наблюдение рекомбинационных радиолиний важно для прояснения физического состояния газа в далёких объектах. Источник: arXiv:1811.08104 [astro-ph.GA]
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#955   morozov » Вт янв 08, 2019 1:17

Рассеяние – не проблема, а возможность точных измерений

Традиционно в курсах оптики говорят о том, что нельзя определить положение объекта с точностью лучшей, чем длина волны излучения, которым освещают объект. Но для любого подобного правила исследователи всегда ищут исключения и возможности обойти запреты, и успешно их находят. Одна из таких “хитростей” представлена в недавней работе [1]. Ученые из Max Planck Inst. for the Science of Light (Германия) использовали картину рассеяния света на наночастице для определения ее положения с точностью до нескольких ангстрем.

Исследовалась кремниевая наночастица в оболочке оксида кремния (диаметр ядра 156 нм, оболочка 6 нм). Параметры частицы подбирали таким образом, чтобы рассеяние могло происходить как по электро-дипольному, так и по магнито-дипольному механизму, при этом сечения рассеяния имели максимумы в видимой области. Сечения рассеяния для таких частиц рассчитываются по теории Ми.

Частицу, находившуюся на пьезоподложке, освещали сфокусированным лазерным излучением. Излучение, рассеянное в прямом направлении, собиралось иммерсионным объективом. Картину обратного рассеяния регистрировали с помощью ПЗС-камеры. Свет был поляризован азимутально или радиально (рис. 1).

Длина волны была подобрана так, чтобы разность фаз комплексных коэффициентов рассеяния для электро-дипольного и магнито-дипольного механизма составляла Δφ=±π/2. Такая разность фаз позволяет получить максимальную интенсивность рассеяния, поскольку электрический и магнитный диполи, образованные частицей, в этом случае излучают синхронно.

В результате экспериментов было показано, что в случае положения частицы точно по центру фокального пятна картина обратного рассеяния является симметричной, а при небольшом сдвиге частицы наблюдалась несимметричная картина (рис. 2).
Изображение
Рис. 1. Геометрия эксперимента: Кремниевая наночастица на подложке, на которую фокусируется лазерный луч. Схематическая конфигурация электрического поля для разных поляризаций света.

Изображение
Рис. 2. Картина обратного рассеяния света. При сдвиге частицы от центра фокального пятна картина рассеяния становится несимметричной.
Цветом показана интенсивность рассеянного света,
минимум – синий, максимум – красный.
При наблюдениях на других длинах волн, при которых разность фаз Δφ отлична от π/2, асимметрия картины рассеяния не является четко выраженной. Эксперименты показали, что асимметрия однозначно определяется положением частицы. Если взять разностную картину между симметричным и асимметричным случаями, аппроксимировать полученные разности распределением Гаусса и применить известные критерии для разрешимости гауссовых пиков, то можно определить минимальное смещение частицы и погрешность методики. В данном эксперименте они оказались равными 3 Å и 0,6 Å.

Возможность определения положения наночастиц с хорошей точностью очень важна для практических приложений, как в электронике, так и в медицине. Кроме того, существует возможность объединения в одном эксперименте технологий манипуляции частицами (оптический пинцет) и их контроля.

З. Пятакова

1. A.Bag, et. al., Phys. Rev. Lett. 121, 193902 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#956   morozov » Чт янв 10, 2019 23:14

Электрическое управление скирмионной фазой

Про магнитные скирмионы – вихревые топологические солитоны – в ПерсТ мы писали неоднократно, начиная с момента их обнаружения (см. например [1]): про то как, их наблюдать, и как управлять ими с помощью магнитного поля, спинового тока и механического воздействия. Не прекращаются также попытки научится управлять скирмионами с помощью электрического поля: такой способ не требует большой мощности или высокой плотности токов, а с помощью системы электродов поле может быть локализовано в заданном месте. В связи с этим, внимание исследователей привлекает мультиферроик Cu2OSeO3 с электрической поляризацией магнитного происхождения, в котором наблюдается скирмионная фаза. Ранее появлялись сообщения, в которых говорилось о косвенных признаках влияния электрического поля на решетку из скирмионов: по изменению электрической [2] и магнитной восприимчивостей [3] при переходе в скирмионную фазу. В недавней работе исследователей из Швейцарии и США [4] приведено прямое экспериментальное подтверждение зарождения и подавления решетки скирмионов с помощью электрического поля (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Управление скирмионной фазой с помощью электрического поля в мультиферроике Cu2OSeO3 [4].
Дифракционные картины, полученные методом малоуглового рассения нейтронов (a – d): переход от a к b – под действием положительного электрического поля, приложенного вдоль z-оси [111], существенно усиливает интенсивность шести пиков, соответствующих гексагональной решетке скирмионов; переход от с к d показывает подавление скирмионной решетки под действием электрического поля противоположной полярности.

e – Фазовая диаграмма в координатах магнитное поле – температура. Цветные области соответствуют скирмионной фазе, их размер зависит от электрического поля. Белой и желтой звездочками показаны точки фазовых диаграмм, в которых проводили наблюдения на рисунках a,b и c,d, соответственно.

Наличие гексагональной решетки скирмионов в Cu2OSeO3 определяли методом малоуглового рассеяния нейтронов по шести характерным дифракционным пикам (рис. 1b,c). На диаграмме в координатах магнитное поле – температура выбирали точки вблизи границы между конической спиральной спиновой структурой и скирмионной фазой (рис. 1e). Приложение к образцу электрического поля порядка 10 кВ/см индуцировало в нем скирмионную фазу.

Напротив, образец в скирмионной фазе при приложении поля противоположной полярности переходил в коническую фазу. Данное явление представляет несомненный интерес для спинтроники: при микронной толщине образца управляющее напряжение составляет вполне приемлимые для электроники величины в единицы вольт, но возможность практического использования данного материала ограничена низкой температурой магнитного упорядочения – всего 58 К.

А. Пятаков

1. ПерсТ 17, вып.13/14, с. 4 (2010).

2. E.Ruff, et al., Sci. Rep. 5, 15025 (2015).

3. Y.Okamura, et al., Nat. Commun. 7, 12669 (2016).

4. A.J.Kruchkov, et al., Sci. Rep. 8, 10466 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#957   morozov » Вт янв 15, 2019 15:26

Статус космического аппарата "Спектр-Р" и научная программа "РадиоАстрона"

Spektr101011С 10 января 2019 года специалистам НПО им. Лавочкина не удается наладить связь со спутником "Спектр-Р". В рамках командных сеансов со станциями дальней космической связи в Медвежьих Озерах и Уссурийске не включается бортовой передатчик широконаправленных антенн.

При этом есть хорошие новости. Станции слежения и сбора научной информации проекта в Пущино (Россия) и Грин Бенк (США) продолжают детектировать узкополосный сигнал на частоте 8.4 ГГц от высоконаправленной 1.5-метровой антенны "Спектр-Р". Более того, бортовой аппаратурой происходит захват частоты в рамках т.н. "замкнутой петли" при излучении сигнала на 7.2 ГГц с Земли в сторону спутника. Это косвенно свидетельствует, что питание на борту спутника есть, обеспечиваются необходимые условия сохранения работоспособности служебной и научной аппаратуры.

Предварительные оценки указывают на надежду на восстановление связи. Коллеги из НПО продолжают работу.

Наблюдения "РадиоАстрона" в рамках научной программы AO6 продолжатся как только связь будет восстановлена.

Мы ожидаем поступления новых заявок на конкурс AO7 к 21 января 2019 г. для формирования очередного, уже седьмого года сильной научной программы наблюдений наземно-космического интерферометра.


Н. Кардашев и Ю.Ковалев (АКЦ ФИАН) для АНИ "ФИАН-информ"
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#958   morozov » Пт янв 25, 2019 16:13

О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях
Г.Д. Шабанов
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, Гатчина, Ленинградская обл., Российская Федерация
В Гатчине открыт новый вид электрического разряда, в котором создаются долгоживущие светящиеся образования с уникальными, специфическими физическими свойствами, наблюдающимися у природных шаровых молний. Рассмотрены результаты исследований гатчинского разряда рядом независимых групп учёных. Эти исследования внесли значительный вклад в понимание физической природы как разряда, так и процессов, приводящих к формированию шаровой молнии. Однако светящиеся образования, получаемые в экспериментах этими коллективами, имеют меньшее время жизни, чем время жизни объектов, созданных авторами данного метода, и, кроме этого, не обладают рядом специфических свойств, присущих шаровым молниям. Обсуждены основные параметры и режимы работы установки по получению таких образований, оптимизация которых позволит устранить указанные недостатки. Рассмотрены свойства разряда и возникающих в нём светящихся образований, которые наблюли авторы и не смогли в полной мере воспроизвести другие группы исследователей. Предложена модель природных шаровых молний, в рамках которой объясняются необычные свойства гатчинского разряда и наблюдаемых в нём долгоживущих светящихся образований. Разработанная экспериментальная установка обладает рядом особенностей, которые позволяют создавать долгоживущие светящиеся образования с эффективностью. близкой к 100%, что открыло принципиальную возможность изучать их физические характеристики на систематической основе.

https://ufn.ru/ufn2019/ufn2019_1/Russian/r191h.pdf
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#959   morozov » Ср янв 30, 2019 20:48

Нитрид-борные нанокомпозиты для доставки лекарств

Поиск подходящих материалов для доставки лекарственных средств в конечном итоге привел исследователей из Мексики и Чили [1] к детальному анализу взаимодействия замкнутых клеток (фуллеренов) B12N12 с хорошо известными двумерными материалами: графеном и гексагональным нитридом бора. При этом авторы рассмотрели, как традиционные нитрид-борные фуллерены, так и модифицированные, содержащие гомоядерные связи типа бор-бор и азот-азот в четырехугольнике на поверхности клетки или бор-бор-бор – в шестиугольнике (см. рис.).

Изображение

Оптимизированные молекулярные структуры в газовой фазе:
фуллерен B12N12 с гомоядерными связями B-B и N-N в четырехугольнике на поверхности клетки (а), фуллерен B12N12 с гомоядерными связями B-B-B в шестиугольнике на поверхности клетки (б), нанокомпозит графен – фуллерен B12N12 (в), нанокомпозит гексагональный нитрид бора – фуллерен B12N12 (г).

Компьютерное моделирование проводили с помощью теории функционала плотности в газовой фазе и в растворе (учет производили с помощью метода COSMO) на уровне теории HSEh1PBE/6-311G(d,p) в программном пакете Gaussian. Авторы определили ряд квантово-химических дескрипторов, характеризующих эти композитные системы, включая энергии граничных орбиталей и HOMO-LUMO щель, химический потенциал, магнитный момент и молекулярный электростатический потенциал, на основании анализа которых и сделали вывод об их использовании в качестве “фармакурьеров”. Кроме того, они рассчитали величины энергий адсорбции фуллеренов на поверхности моноатомных слоев, которые, как выяснилось, лежат в диапазоне, характерном для процессов физсорбции, обусловленных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. В итоге, исследователи установили, что для нанокомпозита, состоящего из модифицированного фуллерена B12N12 и гексагонального нитрида бора, комбинация таких дескрипторов, как низкая химическая реактивность, небольшая HOMO-LUMO щель и высокая полярность, свидетельствует о применимости этой системы в качестве носителя лекарств, причем наличие раствора существенно не влияет на характеристики композита, за исключением изменения величины энергии адсорбции. Таким образом, по мнению авторов, эти молекулярные системы являются действительно неплохим вариантом для биологических приложений, что дополнительно подкрепляется независимыми данными о биосовместимости листов нитрида бора в зависимости от их формы, размера и структуры, а также успешными попытками синтеза полых нитрид-борных клеток для доставки лекарственных средств.

М. Маслов

1. J.C.Escobar et al., J. Mol. Graph. Model. 86, 27 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32275
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#960   morozov » Вс фев 03, 2019 20:48

2D наноматериалы помогут создать портативную искусственную почку
Изображение
Людям с тяжёлой почечной недостаточностью доступны два варианта лечения: трансплантация почки и диализ (очищение крови специальным аппаратом). Возможности трансплантации ограничены – нужны донорские почки. В России в год проводится до 1000 таких операций, а в очереди стоят десятки тысяч больных. Диализ – более доступная процедура. Но, к сожалению, больной должен 2-3 раза в неделю ложиться в стационар, чтобы присоединиться к “искусственной почке” - аппарату, очищающему кровь вне организма в течение 4-6 часов. Этого мало – ведь у здоровых людей кровь фильтруется почками 24 часа в сутки. Ученые уже несколько десятилетий разрабатывают портативные устройства, которые могут обеспечить непрерывную очистку крови и, следовательно, повысить выживаемость и качество жизни хронических больных. Такие “мобильные (или
носимые) искусственные почки” должны быть компактными, лёгкими, а для этого необходимо значительно уменьшить объем и вес системы регенерации диализата (диализирующей жидкости). Сейчас для очистки отработанного диализирующего раствора чаще всего применяют активированный уголь. Однако он практически не сорбирует мочевину, и ее приходится удалять путем разложения на NH3 и СО2 (с помощью фермента уреазы). Для поглощения аммиака используют гидрофосфат циркония, а СО2 выпускают в атмосферу, что серьезно усложняет создание “носимой искусственной почки”. И, конечно, сорбента требуется намного больше, чем допустимо для портативного устройства.

Ученые из США, Китая, Великобритании в своей совместной работе [1] сделали важный шаг на пути преодоления этих трудностей. Они обратили внимание на новый класс наноматериалов – максены (MXenes), открытые в 2011 году [2]. Это 2D карбиды и нитриды переходных металлов Mn+1XnTx, где M – металл (e.g. Ti, V, Nb, Mo), X – C и/или N (n = 1-3), а Tx – поверхностные группы (–ОН, –О– и –F). Нанопластинки максенов толщиной порядка 1 нм состоят из 2-4 атомных слоев переходного металла с прослойками углерода или азота и поверхностных функциональных групп, связанных с внешними металлическими слоями. К настоящему времени синтезировано более 20 максенов, но теоретически предсказано существование гораздо большего количества [3]. Получают эти 2D наноматериалы селективным вытравливанием слоев металла из так называемых МАХ-фаз – cлоистых тройных карбидов и нитридов Mn+1 AXn, где M – переходный металл, А – p элемент (e.g. Si, Ge, Al, S, Sn), X – C и/или N (n = 1-3). Так, например, порошок Ti3C2Tx образуется при вытравливании в кислоте слоев алюминия из Ti3AlC2. Микронные частицы порошка состоят из нескольких 2D MXene пластинок толщиной 1 нм (рис. 1a,b). В каждой пластинке 3 слоя атомов титана разделены атомами углерода, а на внешних Ti слоях имеются функциональные группы –ОН, –О– или –F (рис. 1с). Такие слоистые системы можно интеркалировать (и деинтеркалировать) атомами и даже большими органическими молекулами. Максены имеют отличные электронные, оптические, термоэлектрические и др. свойства и особенно перспективны для создания устройств, аккумулирующих энергию. Однако авторы [1] нашли им еще одно применение – в качестве сорбентов мочевины
Изображение
Рис. 1. Взаимодействие мочевины с Ti3C2Tx. a - Фотография ~ 7 г порошка Ti3C2Tx в 20-мл пузырьке.
b - SEM изображение порошка. с - Схема Ti3C2Tx с интеркалированными молекулами мочевины.
d - Энергии связи молекул мочевины на поверхности Ti3C2Tx для двух ориентаций молекул и трёх функциональных групп.

Исследователи представили результаты экспериментов по адсорбции мочевины из водного раствора и отработанного диализата, взятого из аппарата для диализа. Для исследований выбрали наиболее изученный максен Ti3C2Tx. Сначала провели расчеты из первых принципов энергии связи молекул мочевины на поверхности Ti3C2Tx для разных ориентаций молекул и трёх функциональных групп (рис. 1d). Наиболее стабильной оказалась адсорбция на поверхности с –ОН группами (энергии связи -0.93 и -0.80 эВ для горизонтальной и вертикальной ориентаций молекул, соответственно). Для всех функциональных групп предпочтительной является ориентация молекул параллельно поверхности, что говорит о возможности интеркаляции. Действительно, расчеты показали, что при адсорбции мочевины межслоевое расстояние увеличивается с 1.3 до
1.6 нм для –ОН групп на поверхности и с 1.0 до 1.5 нм для –О– и –F групп.

В экспериментах использовали 6 мл водного раствора, содержащего 30 мг/дл мочевины (что соответствует обычной концентрации мочевины в отработанном диализате из аппарата для диализа). Добавление сорбента (от 0.155 до 5 г) привело к снижению ее концентрации, и эффективность сорбции росла при увеличении количества сорбента (рис. 2). В присутствии 2 или 5 г сорбента за 4 мин удаляется более 98% мочевины. Даже при минимальном количестве (0.155 г) эффективность сорбции составляет ~ 80%.

Изображение
Рис. 2. Сорбция максенами мочевины из водного раствора.
Слева – схема эксперимента (не в масштабе). Справа – изменение концентрации мочевины
при разном содержании Ti3C2Tx (пурпурный цвет) в сравнении с контрольным образцом (серый цвет).
Для каждого образца использовали 6 мл раствора с концентрацией 30 мг мочевины на децилитр.

Для изучения влияния слоистой структуры и состава провели эксперименты, используя сорбенты Ti2CTx (с 2 слоями титана вместо 3) и Mo2TiC2Tx (в котором внешние слои титана заменены на слои молибдена). Максимальная сорбционная емкость получена для образца Ti3C2Tx
(9.7 мг/г при комнатной температуре и 21.7 мг/г при 37оС).

Для того, чтобы оценить возможность практического применения максенов для регенерации диализата, авторы [1] заменили водный раствор с мочевиной на диализат пациентов, страдающих хроническими заболеваниями почек. При небольшом содержании сорбента эффективность удаления оказалась заметно ниже, чем из водного раствора, но при 2.5-5 г составила 94 %, что близко к величине для водного раствора (рис. 3). Сорбционная емкость у Ti3C2Tx и в экспериментах с диализатом оказалась намного выше, чем у Ti2CTx и Mo2TiC2Tx..

Изображение
Рис. 3. Изменение концентрации мочевины в диализате при разном содержании Ti3C2Tx (пурпурный цвет) в сравнении с контрольным образцом (серый цвет). Для каждого образца использовали 6 мл диализата с начальной концентрацией мочевины ~ 30 мг/дл.

В специальных экспериментах исследователи продемонстрировали биосовместимость Ti3C2Tx. Незначительное на первый взгляд открытие (некий новый материал может эффективно удалять из крови мочевину) дает надежду на создание миниатюрной системы регенерации диализата для мобильной искусственной почки.

О. Алексеева
1. F.Meng et al., ACS Nano 12, 10518 (2018).
2. M.Naguib et al., Adv. Mater. 23, 4248 (2011).
3. B.Anasori et al., Nature Rev. Mater. 2, 16098 (201
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»