Энергетика

Уже три десятилетия физики обсуждают идею о том, что при остывании до минус 100°C, вода должна разделяться на две несмешивающиеся жидкости. Физики на суперкомпьютере исследовали образование двух фаз разной плотности при фазовом переходе первого рода в сильно переохлажденной воде. Ученые применили нейронную сеть, обученную на результатах расчетов по теории квантового функционала плотности. Искусственный интеллект подтвердил существование фаз. Методологию компьютерного расчета планируют применить к другим веществам, например полимерам.

Ученые разработали метод синтеза новых кристаллов, состоящих из двух и более химических элементов. Его идея родилась при изучении двухкомпонентных растворов веществ, одно из которых очень сильный растворитель, другое — нет. Эффективность подхода ученые продемонстрировали в высокотемпературных растворах состава AOH/AX (A=Li, Na, K или Rb; X=Cl или I). Уже синтезировано тридцать ранее неизвестных соединений. Работа обещает создание новых сверхпроводников, магнитных веществ и материалов для электрических батарей.

Японские ученые изучили коррозию стали в жидком олове при температуре от 400 до 600ºC. Оба материала планируют применять в будущих термоядерных реакторах непрерывного действия. Исследователи установили, что на поверхности стали при 500ºC нарастал слой FeSn₂ в сторону жидкого олова. Рост слоя интерметаллида внутрь твердой стали был заметен спустя 250 часов и происходил за счет диффузии атомов олова вдоль границ мартенситной структуры. Авторы работы выявили ключевой механизм разрушения стали в жидком олове. Статья появилась в журнале Corrosion Science.

В конце прошлого года в журнале Science появился новый обзор, посвященный научному поиску новых аккумуляторных электролитов и прогрессу их получения. Эта проблема насущна для современных литий-ионных батарей, а также натрий-ионных и литий-кислородных аккумуляторов. Особое внимание авторы статьи обращают на формирование на электродах нанометровых покрывающих интерфаз, которые снижают эффективность химических реакций. Существенная часть обзора посвящена созданию серии долгоживущих твердых электролитов, устойчивых к экстремально высоким и низким температурам.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Как выяснили химики, секрет кроется в количестве энергии, запасенной в водородных связях между молекулами воды.

Третья часть Нобелевской премии по химии за 2022 год досталась Кэролин Бертоцци, которая подобрала такие реагенты, которые не вступают ни в какие реакции с биологическими молекулами, но только друг с другом. При этом использованы те самые клик-реакции, за открытие которых были получены первые две трети премии. Благодаря работе Бертоцци и ее коллег, биологи приобрели безопасный инструмент для непосредственного наблюдения за взаимодействием молекул внутри живого организм и, потенциально, для создания лекарств, способных синтезироваться непосредственно в больной ткани.

Химики из Италии задались вопросом, а как влияет на белое вино длительное его хранение на полках магазинов? Что с ним происходит? Оказалось, что происходит много чего, и довольно быстро.

Команда специалистов по неорганической химии и квантовой физике синтезировала новый трехъядерный кобальтовый комплекс и на ядерном магниторезонансном спектрометре выяснила его температурную чувствительность, которая оказалось на порядок выше средней. МРТ-сигнал от внедренных в тело комплексов может сообщать о мизерных сдвигах температуры, то есть новая молекула будет высокочувствительным неинвазивным термометром. Это, например, поможет врачам определить границы злокачественной опухоли, чтобы затем с молекулярной точностью удалить лазерным испарением окружающие ее ткани. Ученые полагают, что новое магнитное вещество можно использовать не только в медицине, но и при разработке квантовых компьютеров.

Ученые университета Хиросимы впервые предложили извлекать кремний и его оксид из рисовой шелухи, сто миллионов тонн которой мир производит ежегодно. Новая технология позволила выделять из шелухи весь оксид кремния и 86% из него преобразовать в нанокремний. Химики также успешно прошли весь производственный цикл изготовления кремниевых квантовых точек и получили светодиоды с рабочим слоем из них. Точки люминесцировали в оранжево-красном свете (680 нм) с эффективностью выше 20% от вложенной энергии возбуждения. Авторы уверены, что их технологию можно применить к сахарному тростнику, бамбуку, ячменю, пшенице, даже травам.

Немецкие исследователи обнаружили новую молекулу, образованную маленьким положительным ионом рубидия и его же нейтральным ридберговским атомом, который в тысячу раз крупнее обычного. Ученым удалось получить изображение молекулы на ионном микроскопе, специально построенном для этой цели. Она образуется в ультрахолодном газовом облаке под воздействием нескольких лазеров. Оптики измерили колебательный спектр и размеры этого нового иона. Работа открывает новую область интересной физики за пределами квантово-механического приближения Борна—Оппенгеймера.

Материаловеды моделируют явления в кристаллах с помощью коллоидных парамагнитных частиц во вращающемся магнитном поле. В последних экспериментах частицы полистирола, покрытые оксидом железа, образовывали различные двумерные структуры. Это позволяет понять фазовые переходы на атомных масштабах, так как коллоидные частицы собираются в кластеры аналогичные зернам поликристаллов. Эксперимент показал, что газовая и твердая фазы в них сосуществуют друг с другом. Результаты моделирования позволяют разрабатывать новые материалы и улучшать свойства старых за счет управления границами поликристаллических зерен. Ученые планируют также изучить отжиг, процесс многократных нагреваний и охлаждений, который обычно используют для устранения дефектов в кристаллах.

Физики изменили ответное излучение подкожного флуоресцентного датчика так, чтобы легко отличать его отклик от сигналов окружающих тканей. Для этого сенсор возбуждали смесью трех лазерных излучений с меняющейся частотой. За счет нелинейных эффектов он флуоресцировал на удвоенной частоте возбуждения, которая и служила его маркером. Подход универсален потому, что удвоение частоты работает на любом флуоресцентном датчике при любых длинах волн лазерной накачки. Это позволит, например, увеличить сигнал от углеродных нанотрубок, из которых делают сенсоры на пероксид водорода, рибофлавин и аскорбиновую кислоту. Так при лечении злокачественных опухолей можно будет отслеживать эффективность лекарств.

Физики из Университета Квинсленда построили удивительно точную полуэмпирическую модель квантовых явлений и фазовых переходов в спин-кроссовер веществах. Их получают внедрением в твердые матрицы примеси металлоорганических комплексов, состояния которых можно переключать внешними полями. Такие материалы, например, в виде тонких пленок, проявляют разнообразные переходы, необходимые для работы различных электронных приборов. Ученые продемонстрировали результаты своей работы на кремниевой матрице, а также предложили химикам пути синтеза новых материалов.

Нобелевскую премию по химии в этом году дали за идеальную химию — клик-реакцию. Ее в среде химиков последние 20 лет называют методом Фокина — Шарплесса. А Валерия Фокина среди лауреатов нет, хотя именно он открыл первую клик-реакцию, катализируемую солями меди.

Менделеев считал, что углеводороды образуются в мантии Земли из неорганического углерода и водорода на сверхбольших глубинах. С начала ХХI века в разных лабораториях мира физики проводят эксперименты, подтверждающие эту идею.

Эпитаксия — это выращивание кристалла с ориентацией кристаллографических осей, согласованной с таковой у его затравки или подложки. На новый вид эпитаксии физики наткнулись при газофазном осажденим магнитной пленки теллурида хрома (Cr₅Te₈) поверх монослоя диселенида вольфрама (WSe₂). Причина явления в соизмеримости кристаллических решеток пленки и подслоя.