Подсчитано, что 8% глобальных выбросов углекислого газа приходится на производство бетона, и большая часть из них образуется в результате нагрева известняка до очень высоких температур для образования кальция − ключевого компонента химической реакции, образующей бетон. Предыдущие исследования изучали способы уменьшения или замены связующего агента, использования CO2, уловленного из атмосферы, или даже повышения способности уже готового продукта поглощать атмосферный CO2.

Для нового исследования команда из Токийского университета разработала процесс, который снижает воздействие бетона на окружающую среду сразу несколькими способами. Во-первых, новый материал сделан из старого бетонного щебня, который часто идет в отходы. Это не только продлевает срок службы старых материалов, но и позволяет проводить процесс при температуре около 70 ° C, что намного ниже, чем температура, необходимая для сжигания известняка (в этом случае речь идет о значениях выше 1000 °C). Другое преимущество заключается в том, что углекислый газ, который нужен для смеси, может поступать либо из промышленных выхлопных газов, либо извлекаться прямо из воздуха.

В ходе испытаний команда создала образцы блоков из обычных строительных отходов, затвердевшего цементного теста (HCP) или кварцевого песка. Процесс начинается с раствора бикарбоната кальция, состоящего из порошка известняка, деионизированной воды и углекислого газа. Затем этот раствор перекачивается в форму, содержащую один из заполнителей — порошок HCP или кварцевый песок, который затем нагревается до 70 °C. Конечным результатом является блок нового материала, который команда называет «бетоном на основе карбоната кальция».

Но есть и минусы. Этот материал, безусловно, снижает нагрузку на для окружающую среду, однако бетон из карбоната кальция в его нынешнем состоянии не так прочен, как классический аналог. Средняя прочность на сжатие блоков составила 8,6 МПа, что намного ниже, чем 20-40 МПа бетона из портландцемента. Тем не менее, команда говорит, что он все еще может найти применение в небольших зданиях и будет улучшен в ходе дальнейшей работы.

Терагерцовые технологии пока не вошли плотно в нашу повседневную жизнь, однако ввиду их бурного развития этот день явно не за горами. Многие из нас, сами того не зная, уже соприкоснулись с терагерцовыми приборами, например проходя на посадку в аэропорту через сканер для досмотра. Это лишь один из множества примеров терагерцовых приборов. Область их применения захватывает медицину, телекоммуникации, информационную безопасность и многие другие сферы. Но чего же не хватает перспективным технологиям для уверенного развития? Ответ прост — материалов. Тех самых «кирпичиков», из которых ученые и инженеры строят наше с вами будущее. И здесь на сцену выходят гексаферриты. Несмотря на непривычное название, на самом деле гексаферриты хорошо знакомы любому человеку, который держал в руках банковскую карточку, карту-ключ от номера в отеле или кассету с магнитной лентой. Все эти вещи объединяет одно — магнитные полоски в них сделаны из гексаферрита. Внешне невзрачное черно-коричневое вещество, как оказалось, является весьма привлекательным магнитным материалом. А тот факт, что гексаферриты еще и достаточно дешевы в производстве, так как их получают из отходов металлургии и машиностроения, позволил им развернуться во всю мощь на магнитном рынке и занять добрую его треть с годовым оборотом в миллиарды долларов. Однако прославившие гексаферрит магнитные свойства заставили незаслуженно забыть о других его выдающихся качествах. Исторически научное изучение гексаферритов шло довольно однобоко: ученые немного меняли химическую формулу и смотрели, как это скажется на магнитных характеристиках.  Остальные исследования если и проводились, то с сильно меньшим энтузиазмом. 

Ученые из МФТИ в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали потенциал гексаферрита для терагерцовых технологий. Результат оказался впечатляющим. Одной из желанных характеристик материала в современном приборостроении является настраиваемость, то есть возможность целенаправленно менять свойства вещества. Например, меняя температуру, управлять прозрачностью материала и т.д. Именно настраиваемость гексаферритов и вызвала восторг исследователей. Людмила Алябьева с коллегами исследовали гексаферрит бария-свинца. Оказалось, что если в гексаферрит бария добавить свинец, это значительно изменит его терагерцовый отклик, то есть характер взаимодействия с терагерцовым излучением.

Изучая, как количество добавленного в гексаферрит свинца влияет на способность поглощать терагерцы, ученые обнаружили, что при определенной концентрации свинца отклик меняется внезапно и неожиданным образом. В нем появляется полоса поглощения, которую можно передвигать по частоте. Чтобы сместить такую полосу, нужно просто охладить материал — и гексаферрит станет легко настраиваемым! В принципе, само явление таких перемещающихся полос поглощения известно в физике твердого тела и носит название «мягкие моды». Однако мягкая мода, обнаруженная в гексаферрите, задала ученым сразу две загадки: во-первых, само ее появление было полной неожиданностью, а во-вторых, ее поведение при понижении температуры отличается от предписываемого стандартной теорией. В своей работе Людмила Алябьева и соавторы предлагают объяснение обоим явлениям — и неожиданному появлению мягкой моды, и ее необычному поведению. Работа опубликована в журнале группы Nature — NPG Asia Materials.

«Помимо очевидной практической значимости, исследование имеет и чисто фундаментальный интерес: мы впервые пронаблюдали мягкую моду с таким экзотическим температурным поведением. Сейчас мы активно работаем над тем, чтобы выяснить, какие физические процессы лежат в основе ее природы», — говорит Борис Горшунов, д. ф.-м. н., руководитель лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов  МФТИ.

Таким образом, гексаферрит, кроме заслуженной славы на магнитном поприще имеет также потенциал для покорения вершин терагерцовой электроники. Дешевизна производства, химическая стабильность, нетоксичность и экологичность также сыграют здесь свою роль.

 «Конечно, не обошлось без проблем: для досконального изучения свойств гексаферрита нам требовались достаточно большие кристаллы, в то время как все хорошо отработанные в мире технологии работают на получение мелких кристалликов или порошков. Однако и эта проблема постепенно преодолевается. Например, уникальные по размеру и качеству кристаллы для данной работы были выращены нашими коллегами, группой профессора Дениса Винника в Челябинске», — добавляет Людмила Алябьева, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ и первый автор работы.

В работе, кроме сотрудников лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие их коллеги из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Южно-Уральского государственного университета, Южного федерального университета, Института физики Чешской академии наук и Карлова университета (Чешская Республика), Штутгартского и Аугсбургского университетов (Германия), а также Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Материал предоставлен пресс-службой МФТИ

Ученые, работающие над интеграцией кремния в литий-ионные батареи, надеются дополнить или полностью заменить им графит, используемый в настоящее время в качестве анодного компонента. Основная причина — кремний может хранить в 10 раз больше энергии. Проблема, однако, в том, что при зарядке и разряде аккумулятора кремний разбухает, что приводит к растрескиванию анода, что в конечном итоге сводит на нет все шансы аккумулятора удерживать заряд.

На протяжении многих лет мы видели несколько интересных подходов к решению этой дилеммы, в том числе использование кремния со специальными наноструктурами, комбинирование его с твердотельными электролитами, формирование кремниевых «сэндвичей» или заключение материала в графен. Но новое понимание причин, по которым кремниевые аноды быстро выходят из строя, может значительно помочь усилиям по укреплению их стабильности. Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории получили возможность наблюдать за этим процессом в беспрецедентных подробностях.

По мере того, как батарея циклически переключается в разные режимы, ионы лития перемещаются между анодом и другим электродом, катодом, через жидкий электролит. Когда эти ионы входят в кремниевый анод, они отталкивают атомы кремния в сторону, что приводит к разбуханию анода в три или четыре раза по сравнению с его изначальным размером. Затем, когда ионы лития отступают, они оставляют за собой полости, из-за которых батарея быстро выходит из строя.

Исследователи использовали модифицированный просвечивающий электронный микроскоп для регистрации молекулярной активности внутри литиевой батареи с кремниевым анодом во время ее зарядки и разрядки. Он показал, что по мере того, как уходящие ионы лития создавали все больше полостей, те в свою очередь превращались во все большие и большие зазоры, которые затем промывались жидким электролитом.

Это привело к искажению ключевой структуры на краю анода, называемой межфазной фазой твердого электролита. Она просачивалась в анод и образовывалась там, где этого не должно было быть. Конечным результатом было создание «мертвых зон», из-за которых анод попросту не мог работать. Ученые увидели, что этот процесс начался всего после одного цикла батареи, и к 36 циклам способность батареи удерживать заряд значительно снизилась. После 100 циклов анод разрушился.

«С учетом настоящего наблюдения становится ясно, что для решения проблемы кремния необходимо сформировать твердую оболочку, чтобы изолировать материал от жидкого электролита», — объяснил в интервью порталу New Atlas соавтор новой статьи Чонгмин Ван. «Есть два способа сделать это. Один из них – это "импровизированное" формирование твердой оболочки на кремнии при начальном функционировании батареи, что требует корректировки состава жидкого электролита. В качестве альтернативы, на кремний можно нанести слой интеллектуального покрытия, что также привело бы к изоляции кремния от контакта с жидким электролитом».

Открывая эти многообещающие новые пути, ученые теперь проводят «интенсивные» исследования и разработки для решения проблемы кремния.

«Трудно предсказать, сколько времени это займет, так как нам нужно определить слой" покрытия "на кремнии, который отвечает как ионной, так и электронной проводимости, а также обладает механической упругостью», — говорит Ван.

Предложенный метод экологичный и безопасный — его можно применять даже в пищевой промышленности

Разработка новых методов защиты товаров от подделок важна не только для производителей, которые теряют часть дохода из-за контрафакта, но и для покупателей. Некачественные подделки, особенно продуктов питания, косметики или лекарств, могут нанести урон здоровью потребителя. Самые популярные способы защиты от контрафакта — это радиочастотные метки и «невидимые» изображения. Второй способ более перспективный, экологичный и безопасный. Если в основе радиочастотных меток — редкоземельные металлы, то скрытые картинки можно получать из возобновляемых ресурсов, например, органических и неорганических полимеров. 

Защитная метка без воздействия ультрафиолета

«Нам удалось разработать гелевые метки из полимеров, в толще которых могут находиться  сразу несколько картинок. И каждая такая картинка — это оптически активная структура. Их можно детально рассмотреть только под воздействием монохроматического облучения, то есть под определенной длиной волны — причем для каждого изображения можно задавать свое значение. То есть, если злоумышленники смогут подделать одну часть метки, то не факт, что то же самое получится сделать и с другой. И к тому же будет сразу заметна разница между оригинальным паттерном и тем, что нанесли подпольным методом», — рассказывает инженер химико-биологического кластера Университета ИТМО Егор Рябченко. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced functional materials.

Защитная метка под воздействием ультрафиолета

Полученные учеными защитные метки можно наносить не только на ровные поверхности, но и на поверхности со сложной геометрией и с различными шероховатостями. Кроме того, по словам авторов исследования, они не проникают даже сквозь тонкие мембраны, что позволяет использовать их в том числе для пищевых упаковок. Также разработка подойдет для защиты брендов одежды: метки выглядят эстетично, легко отмываются органическими растворителями, не повреждают и не окрашивают ткань.

«Мы разработали технологию, которую можно использовать в качестве основы для получения более сложных чернил, уже адаптированных под конкретного производителя. Например, для производителей техники будет важна термостойкость, а для брендов одежды — пластичность структур. Как раз в числе наших дальнейших планах — эксперименты над рецептурой чернил. Меняя состав, мы сможем задавать им новые свойства», — объясняет Егор Рябченко.

Материал предоставлен пресс-службой Университета ИТМО