СМИ о нас

Учёные из Физического института им. П.Н Лебедева РАН придумали новый магнитный материал, с помощью которого умные нанороботы смогут доставлять лекарства к опухоли или бороться с болезнетворными микроорганизмами. О том, как это будет работать, какие здесь ещё возможны применения и что такое химический магнит, рассказывает Борис Кичатов, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории активных коллоидных систем.

Илл.: PPPL/Flickr.com; motionstock/ pixabay.com

– Борис Викторович, чем занимается ваша лаборатория?

– Мы занимаемся исследованием нано- и микромоторов – устройств, способных использовать энергию либо окружающей среды, либо запасённую в них самих, и способных двигаться самостоятельно. Несмотря на большое разнообразие исследований в данной области, вариантов механизмов, ответственных за перемещение нано- и микророботов, в настоящее время существует весьма ограниченное количество. Попросту говоря, их можно пересчитать на пальцах двух рук. Это, например, электро- и диффузофорез, диэлектрофорез, течение Марангони и некоторые другие. В эту немногочисленную копилку механизмов для перемещения нано- и микророботов мы внесли свой вклад. Мы разработали новый механизм, который условно можно назвать «явление химического магнетизма».

– Насколько я понимаю, нанороботы нужны, прежде всего, для доставки лекарств по кровеносным сосудам?

– В том числе. Во всём мире сейчас создаются роботы нано- или микроразмерного масштаба, которые могут выполнять различные задачи, в том числе, связанные с биомедициной, когда в кровеносный сосуд запускается инъекция из таких моторов, несущих на себе лекарственное соединение. Они достигают раковой опухоли и могут бороться с ней. Можно их принимать и перорально, через рот.

– То есть, принять вещество, начинённое такими моторами?

– Именно так. Благодаря активному движению они способны за единицу времени охватить большой объем в желудке или кишечнике, например, для того чтобы эффективно бороться с бактериями. Один из самых перспективных механизмов перемещения моторов связан с использованием энергии магнитного поля. Для того чтобы робот двигался, в его состав должен входить тот или иной магнитный материал. Магнитные свойства различных материалов весьма сильно отличаются друг от друга. Наибольшим коэффициентом магнитной восприимчивости обладают ферромагнитные металлы, такие как железо, кобальт и никель, но их, к сожалению, не всегда возможно внедрять в состав подвижных роботов. При этом парамагнитные и диамагнитные металлы обладают существенно меньшим коэффициентом магнитной восприимчивости по сравнению с ферромагнитными металлами, а потому на роботы, изготовленные из таких металлов, в неоднородном магнитном поле действует существенно меньшая магнитная сила.

– А повысить этот коэффициент никак нельзя?

– Именно этим вопросом мы и задались. Можно ли каким-то образом увеличить коэффициент магнитной восприимчивости робота, изготовленного из парамагнитных или диамагнитных металлов? В качестве первого шага мы создали модель робота, которая ещё далека от практического воплощения, но она позволила нам изучить все особенности данного процесса. На эту тему мы совсем недавно опубликовали статью в высокорейтинговом научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

С этой целью нами был создан биометаллический пловец – пластинка, состоящая из двух разнородных металлов. Эти разнородные части пловца выполняют роль катода и анода. Пловец помещается на поверхность раствора электролита…

– А почему вы не взяли просто воду?

– Если мы поместим такого пловца на поверхность обычной воды, никаких химических реакций при этом протекать не будет. А нам это совершенно необходимо. В неоднородном магнитном поле пловец, изготовленный из диамагнитных металлов, будет выталкиваться из области магнитного поля и двигаться в направлении уменьшения его напряженности. Если он изготовлен из парамагнитных металлов, то он будет, наоборот, двигаться в направлении увеличения напряженности магнитного поля.

В процессе эксперимента мы измеряли, под действием какого градиента магнитного поля возможно перемещения для такого рода пловца. Магнитная сила, действующая на пловец, пропорциональна градиенту поля. Если градиент магнитного поля маленький, то сила инерции и сила трения, действующие на робот, значительно больше, чем магнитная сила, и такой пловец двигаться не сможет.

Затем мы поместили нашего пловца, изготовленного из цинка и меди, на поверхность раствора электролита сульфата меди. В этом случае запускается окислительная-восстановительная реакция. При этом цинк будет окисляться, в результате чего образуются ионы цинка, а медь из раствора будет восстанавливаться. При протекании такого рода химических реакций через металл будут двигаться электроны от цинка к меди, а в растворе электролита будут двигаться ионы. Таким образом, наш пловец охвачен петлёй с током. Известно, что на любую петлю с током в неоднородном магнитном поле действует магнитная сила.

Мы создали такую петлю с током, чтобы на нашего пловца в магнитном поле начала действовать дополнительная магнитная сила. В наших экспериментах неоднородное магнитное поле создавалось с помощью постоянного магнита. Мы показали, что в случае протекания химических реакций в системе, наш пловец способен двигаться при весьма малых градиентах магнитного поля. Это означает, что магнитная сила, которая на него действует, возросла за счёт роста коэффициента магнитной восприимчивости. Фактически мы сделали первый важный шаг к созданию химического магнита.

– Но ведь это не наномагнит?

– Пока что нет. Мы пока сделали макроскопическое устройство, но основную идею этого робота можно перенести и на наноуровень. Например, путём напыления металлов в нанопоры можно создать наноразмерный биметаллический робот. Представьте себе жидкость, в которой диспергированы такого рода микро- или наночастицы, и эта жидкость будет магнитной при условии, что в ней протекают химические реакции. Если реакции есть, магнетизм возникает, и наоборот.

– И для чего это нужно?

– Это нужно для создания микро-нанороботов, которые способны двигаться в химической среде даже под действием слабых магнитных полей. Вторая возможность – как мы уже поняли, биосенсоры и системы доставки лекарств. Такого рода частицы погружаются в соответствующую среду, и если там протекает химическая реакция, то изменяется магнитная восприимчивость среды, и это состояние можно детектировать.

Это важно и с фундаментальной точки зрения. Мы знаем, что слабые магнитные поля не влияют на химические реакции. Представьте, что вы идёте мимо провода, по которому течёт электрический ток. Вы находитесь в области переменного магнитного поля, но ничего с вами не происходит, хотя в вашем кровотоке ежесекундно протекает свыше 15 миллионов химических реакций. Возникает вопрос: а верно ли обратное? Оказывается, нет. Химические реакции способны порождать магнитные явления, и это очень интересное наблюдение.

Ещё мы исследовали всевозможные параметры, от которых может зависеть химический магнетизм. Например, известно, что коэффициент магнитной восприимчивости для железа с повышением температуры уменьшается. А в нашем материале – химическом магните, наоборот, с повышением температуры магнетизм усиливается, потому что усиливается интенсивность протекания химической реакции.

– Если вернуться к доставке лекарств, то чем разработанный вами метод лучше, чем уже существующие?

– Чем вообще интересны наночастицы? У них отношение площади поверхности к объёму очень велико. Представьте, что на поверхности мы поместили какое-то лекарственное соединение, а потом при помощи магнитного поля станем двигать эти частицы в заданное место. Если мы просто сделаем пациенту укол с такими наночастицами, то диффузия может разбросать это лекарственное вещество по всему организму. А лекарства, особенно для больных раком, часто весьма токсичны и могут быть радиоактивными. Тут же мы доставляем лекарство четко к заданному месту, используя для этого магнитное поле, которое прекрасно тем, что проникает глубоко в ткани и безвредно для человека.

Но сила, которая действует на эти наномоторы, должна быть больше, чем внешнее броуновское воздействие со стороны молекул окружающей жидкости, иначе моторы не смогут двигаться. Как я уже сказал, спектр материалов, которые имеют большой коэффициент магнитной восприимчивости, чрезвычайно узок. При обычной температуре это железо, кобальт и никель. Мы придумали метод, как можно увеличить коэффициент магнитной восприимчивости для других металлов.

Конечно, биомедицина – это только одна из многочисленных возможностей, которые может открыть этот метод. Ещё такие системы можно использовать в процессах, связанных с химическими технологиями – например, в процессах сепарации. А многого мы пока даже не предполагаем. Главная ценность нашей работы состоит в том, что мы добавили в немногочисленную коллекцию известных методов перемещения роботов совершенно новый и нетривиальный механизм, который по своей сути не сводится к ранее известным.

Автор: Наталия Лескова

https://nkj.ru/open/46584/

Ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала – химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой „пловец” работает как магнит», – говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.

Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы – парамагнитные или диамагнитные материалы. 

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.

Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это может быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей – один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе начиналась окислительно-восстановительная реакция, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита – ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

Схема химической реакции в биметаллической пластине.

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на „пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила – иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен», – рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то, что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого пловца не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость пловца, так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе „бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», – говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока, и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между пловцом и магнитом, при котором пловец все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.

https://new.ras.ru/activities/news/v-fiane-sozdali-khimicheskiy-magnit-dlya-budushchikh-nanomotorov/

Сегодня ушел из жизни выдающийся физик, академик Валерий Анатольевич Рубаков. Член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Николаевич Колачевский прокомментировал эту невосполнимую для всего научного сообщества утрату:

«Это трагическая новость для всего нашего научного сообщества. Валерий Анатольевич Рубаков был великим ученым, светилом ядерной физики. Он во многом определял направления развития физики высоких энергий и всей мировой науки. Валерий Анатольевич пользовался совершенно непререкаемым авторитетом. Он оставил после себя огромное количество учеников. Мы с ним всегда очень тесно взаимодействовали как по науке, так и в рамках журнала “Успехи физических наук”, где он был главным редактором. Для всех нас, не только физиков-ядерщиков, но и для всех сотрудников ФИАНа, новость об уходе из жизни Валерия Анатольевича настолько неожиданная и тяжелая, что мы не можем до конца осознать то, что его с нами больше нет…».

https://scientificrussia.ru/articles/clen-korrespondent-ran-nn-kolacevskij-akademik-va-rubakov-polzovalsa-neprerekaemym-avtoritetom

24 октября в 13:00 портал «Научная Россия» при участии РАН проведет пресс-тур в Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) ― главный научно-исследовательский центр страны в области физики, «родовое гнездо» семи нобелевских лауреатов.

Заведующий криогенным отделом института, разработчик Евгений Иванович Демихов представит МРТ-установку ФИАН, которая уже готова к вводу в производство и сможет в ближайшее время заменить импортные МРТ-аппараты по всей России. Директор института член-корреспондент РАН Николай Николаевич Колачевский расскажет об отличительных особенностях новой установки и ответит на вопросы гостей.

Отечественный аппарат, созданный в ФИАН, не требует использования жидкого гелия ― это отличает его от импортных аналогов и позволяет на 30% сократить расходы на обслуживание такой установки.

«Это очень сложная технология. Такой прибор можно сравнить разве что со спутником, который запускают в космос. Наше пространственное разрешение 0,5 мм позволяет диагностировать большую часть всех существующих патологий», ― говорит Евгений Иванович Демихов.

Участники пресс-тура смогут поближе познакомиться с одной из самых многообещающих разработок российских ученых в области импортозамещения.

https://scientificrussia.ru/articles/rossijskaa-mrt-ustanovka-gotova-k-proizvodstvu-v-nasej-strane

Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой “пловец” работает как магнит», — говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.

Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы — парамагнитные или диамагнитные материалы. Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных их парамагнитных и диамагнитных металлов? Ответ на этот вопрос удалось получить авторам статьи.

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.

Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это могут быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе начиналась окислительно-восстановительная реакция, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен», — рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого «пловца» не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость «пловца», так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», — говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между «пловцом» и магнитом, при котором «пловец» все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.

Источник информации и фото: отдел по связям с общественностью ФИАН  Информация взята с портала «Научная Россия»

Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой “пловец” работает как магнит», — говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.

Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы —  парамагнитные или диамагнитные материалы. Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных их парамагнитных и диамагнитных металлов? Ответ на этот вопрос удалось получить авторы статьи.

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.

Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это может быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе системе начиналась окислительно-восстановительная реакции, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

Схема химической реакции в биметаллической пластине

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен»,  — рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то, что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого пловца не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость пловца, так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», — говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока, и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между пловцом и магнитом, при котором пловец все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.

Источник: ФИАН

ТАСС, 13 октября. Физики из России создали новый магнитный материал, чьи свойства меняются в зависимости от того, какие типы химических реакций протекают внутри этого вещества. Этот "химический магнит" можно использовать для создания наномоторов для микроскопических роботов будущего, сообщила в четверг пресс-служба Физического института РАН (ФИАН).

"Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой объект работает как магнит. В результате этого магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен", - рассказал ведущий научный сотрудник ФИАН (Москва) Борис Кичатов, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

За последние 10 лет ученые создали десятки различных молекулярных наномашин, в том числе щипцы, системы точечной доставки лекарств и даже примитивные компьютеры и роботы-"трансформеры". Быстрый прогресс в этой области привел к тому, что в 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена Бену Феринге, Фрейзеру Стоддарту и Жану-Пьеру Соважу за разработку и синтез молекулярных машин.

Их дальнейшая разработка осложнена тем, что сложность сборки больших наноструктур растет очень быстро, а внесение изменений в их устройство и управление их работой оказались еще более сложными задачами. Еще одним препятствием для создания и использования полноценных нанороботов является то, что пока исследователям не удалось создать надежные и предсказуемо работающие наномоторы.

Магнитный мотор для нанороботов

Кичатов и его коллеги сделали большой шаг в сторону решения этой проблемы. Им удалось разработать новый магнитный материал, чьими свойствами можно управлять при помощи окислительно-восстановительных реакций. Это позволяет использовать его для создания регулируемых наномоторов.

Как отмечают исследователи, данный материал представляет собой пластину, состоящую из двух соединенных друг с другом пластин из двух разных металлов - цинка и меди, обычно не проявляющих магнитной активности. Эта активность внутри пластинок из цинка и меди возникает в результате того, что при погружении в электролит через них начинает двигаться электрический ток в результате запуска гальванической реакции.

Причиной ее возникновения является то, что цинк и медь обладают очень разным электрохимическим потенциалом, в результате чего взаимодействия цинка и меди с электролитом приводят к тому, что цинк окисляется, а медь восстанавливается. Этот процесс сопровождается появлением замкнутой "петли" электрического тока, вырабатывающей магнитное поле.

Появление этого поля позволяет управлять движением нанороботов, в которые встроена подобная комбинация из двух металлов, при помощи внешних постоянных магнитов и химических реакций. В дополнение к этому данный эффект можно использовать для создания наноскопических аналогов электромоторов, а также лекарств и сенсоров, активирующихся только в определенной химической среде, подытожили ученые.

https://nauka.tass.ru/nauka/16043669

Со 2 по 6 октября на базе Дальневосточного отделения РАН прошла 20-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники APCOM-2022, посвященная 100-летию Н.Г. Басова. Конференция собрала большое количество известных специалистов в области оптоэлектроники, лазерной физики, микроэлектроники и смежных приложений.

Участники конференции

В приветственной лекции выдающуюся роль академика Басова в развитии лазерной физики в мире и в становлении научных школ ДВО РАН отметил председатель организационного комитета APCOM, вице-президент РАН, академик Ю.Н. Кульчин.

От Физического института им. П.Н. Лебедева РАН с приветственным словом выступил руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН, член-корреспондент РАН А.В. Наумов. Он представил научные и технологические проекты ТОП ФИАН – научного наследия лауреата Нобелевской премии по физике 1964 года, академика Николая Геннадиевича Басова. Новое для ТОП ФИАН научное направление, связанное с флуоресцентной наноскопией одиночных молекул и квантовых точек, было представлено в приглашенном докладе А.В. Наумова "Fluorescence nanoscopy of single molecules and quantum dots".

По итогам конференции будет опубликован специальный тематический выпуск журнала Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics.

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН

https://scientificrussia.ru/articles/fian-na-apcom-2022

Российские ученые предложили способ, который позволяет изменять окраску алмазов. Облучая искусственные кристаллы лазером, они смогли точечно обесцветить их за счет влияния на структуру оптически активных центров (центров окраски). Описанный подход в перспективе позволит не только изменять цвет, а значит, и ювелирную ценность алмазов, но также разработать метки для контроля за оборотом драгоценных камней.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Carbon.

Последние десятилетия синтетические алмазы стали отличной альтернативой природным — особенно в области оптоэлектроники и спинтроники. Это связано прежде всего с тем, что свойства синтетических кристаллов можно очень широко изменять, например, сделать их практически идеально чистыми. В этом случае в них предельно мало самых простых (одноатомных и двухатомных) оптически активных центров из атомов азота, в том числе центров окраски. Кроме того, можно изменять их структуру и цвет сколько угодно и там, где это нужно, например, при помощи лазера.

Иногда бывает необходимо выполнить обратную задачу — избавиться от центров окраски видимого диапазона и, таким образом, обесцветить кристалл. Сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), ООО «ВЕЛМАН» (Новосибирск), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и «ИТЭР-Центр» (Москва) продемонстрировали, как можно это сделать.

«Мы воздействовали лазерными импульсами на алмазы красного цвета торговой марки Imperial Red Diamonds, лабораторно выращенные под действием высоких температур и давления, — так называемые HPHT-алмазы. Импульсы были очень короткими — всего триллионная доля секунды — и с ультрамалой энергией, но облучали кристалл с большой частотой повторения, так что за несколько минут маленькая точка претерпевала десятки миллионов бережных лазерных воздействий», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Обработка вызывала точечное, хорошо заметное невооруженным взглядом обесцвечивание. Исследователи проверили свойства соответствующих участков по тому, как они взаимодействуют с разным светом — от ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Анализ полученных в результате спектров показал, что обработанные участки существенно хуже поглощают излучение видимого и среднего инфракрасного диапазона, которое обычно «съедают» оптически активные одноатомные и двухатомные азотные центры, а значит, последних стало намного меньше.

Поскольку воздействие оказалось успешным, авторы задались фундаментальным вопросом: за счет каких процессов удалось избавиться от оптически активных центров. Поскольку лазерное воздействие локальное, но довольно интенсивное, можно предположить два сценария. С одной стороны, центры могли разрушиться (диссоциировать) непосредственно под действием лазерного излучения. С другой стороны, они могли соединиться друг с другом (агрегировать) с участием лазерно-генерированных дефектов углеродной решетки алмаза. В обоих случаях оптические свойства алмазов меняются.

Дополнительно исследовались спектральные особенности фотолюминесценции, а именно то, как светились обработанные участки в ответ на воздействие излучением зеленой и синей части спектра. Эксперименты показали, что увеличилось содержание более крупных азотных центров окраски, обладающих поглощением в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. При этом уменьшались концентрации одно- и двухатомных азотных центров, которые поглощают во всей видимой области спектра.

Художественная иллюстрация локального обесцвечивания искусственных алмазов. Источник: Carbon

Ученые предположили, что с каждым импульсом происходило незначительное локальное повреждение алмазной структуры. Его причина заключается в ионизации атомов углерода и их смещении в поры решетки с образованием вакансий (пустот) и междоузлий. Поскольку структурно-чувствительная спектроскопия комбинационного рассеяния света не показала даже незначительных изменений в углеродной решетке, такие дефекты решетки не накапливаются, а активно взаимодействуют с азотными центрами и присоединяются к ним или же вызывают их агрегацию с соседними центрами. Этот новый процесс является обратным по отношению к ранее обнаруженному этими же исследователями распаду азотных центров под действием лазерно-генерированных вакансий в природных алмазах.

«Наше исследование продемонстрировало, как с помощью лазеров можно изменить окраску, а значит, и свойства искусственного алмаза. Варьируя режимы облучения, мы можем изменить как цвет всего камня, так и создать незаметные глазу, но фиксируемые приборами микрокодировки внутри алмаза. Это очень важно для разработки инновационных способов контроля за оборотом искусственных алмазов», — рассказывает Сергей Кудряшов.

В сотрудничестве с соавтором статьи Виктором Винсом, доктором физико-математических наук, сотрудником ООО «ВЕЛМАН», исследователи планируют инновационные разработки на базе разработанной для синтетических алмазов технологии.

https://www.nanonewsnet.ru/news/2022/fiziki-obestsvetili-iskusstvennyi-almaz-pri-pomoshchi-sveta