СМИ о нас
| 19.10.22 | 19.10.2022 Научная Россия. Член-корреспондент РАН Н.Н. Колачевский: академик В.А. Рубаков пользовался непререкаемым авторитетом |
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…».
| 19.10.22 | 19.10.2022 Российская академия наук. В ФИАНе создали «химический магнит» для будущих наномоторов |
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 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/
| 19.10.22 | 19.10.2022 Научная Россия. Российская МРТ-установка готова к производству в нашей стране |
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
| 19.10.22 | 19.10.2022 Троицк Информ. Учителя сели за парты |
VI Троицкая школа повышения квалификации преподавателей физики «Актуальные проблемы физики и астрономии: интеграция науки и образования» стартовала 17 октября. Шесть дней педагоги будут слушать лекции ведущих российских учёных, посещать НИИ и инновационные центры Троицка, участвовать в различных мастер-классах. По итогам обучения педагогам будут выданы удостоверения МПГУ о прохождении курсов повышения квалификации.
Первая Школа состоялась в 2017 году. Идея принадлежит Николаю Кучеру, в те годы он был директором Лицея Троицка, а сейчас преподаватель физики. Программу поначалу «обкатали» на троицких учителях. Эксперимент оказался удачным, и на следующий сезон в Троицк пригласили столичных педагогов. А потом к проекту подключился Президиум РАН. Так ТШПФ стала работать с базовыми школами РАН, появилась возможность приглашать учителей из регионов. За пять лет курс окончил 331 преподаватель из более чем 30 регионов нашей страны. Среди них 65 учителей из базовых школ РАН, 140 педагогов из Москвы и 27 из Троицка. «Я считаю, что Школа учителей физики – уникальное явление, – говорит глава Троицка Владимир Дудочкин. – В России много образовательных центров. Но такого подбора докладчиков, которые читают лекции педагогам, рассказывают о современных тенденциях физической науки, на мой взгляд, нигде нет, как нет и такого разнообразия институтов РАН».
«Школа становится традиционной, и это радует, – отмечает председатель оргкомитета ТШПФ, руководитель ТОП ФИАН, заведующий кафедрой МПГУ, член-корреспондент, профессор РАН Андрей Наумов. – Мы надеемся, что проект будет продолжаться. И бесконечно признательны всем, кто его поддерживает».
В этом году знакомиться с современными научными достижениями приехали 25 учителей из 16 регионов страны. Людмила Широкова преподаёт физику и астрономию в гимназии Волгограда. «Так всё неожиданно здорово, что мы спрашиваем себя:
«В чём подвох?» – улыбается
она. – Нас встретили как дорогих гостей, и, судя по программе, нас ждёт очень интересная неделя, чему мы искренне рады». Елена Кутырёва обучает физике в 10-м Одинцовском лицее. «Это лицей математического направления, но физика подаётся на углублённом уровне, – поясняет учитель. –
Я впервые в Троицке, приехала сюда с большими ожиданиями».
Троицкие педагоги также стараются посещать лекции. «Это как новый глоток воздуха, – говорит директор Гимназии им. Пушкова Наталья Тимошенко. – Здесь работают лекторы такого уровня! Единственное, в этом году конференция не совпадает со школьными каникулами. У нас в Гимназии два физика, но я не могу снять их с уроков на полный день. И всё же мы выстроили расписание так, чтобы здесь могли побывать на отдельных лекциях наши школьные физики, химики и биологи».
Каждый раз программа немного меняется. «В этом году много нового, – рассказывает Андрей Наумов. – Помимо знакомства с высокой наукой, педагоги будут общаться с представителями МФТИ, а также Министерства просвещения, которые разрабатывают материалы для ОГЭ и ЕГЭ. Мы начинаем расширять направление мастер-классов, на них приедут коллеги, которые разрабатывают задания к Всероссийской олимпиаде школьников. Пройдут мастер-классы по робототехнике, астрономии, лекция по социофизике».
Ряд тем Троицкой школы преподавателей физики приурочен к 100-летнему юбилею нобелевского лауреата академика Николая Басова – одного из отцов-основателей Академгородка в Красной Пахре. Лекционную часть ТШПФ открыл директор ФИАНа им. Лебедева, член Президиума РАН, член-корреспондент РАН Николай Колачевский. Он рассказал о научном наследии Басова и ярких приложениях лазерной физики в навигации, метрологии, квантовых технологиях. «В течение длительного времени Басов был директором ФИАНа, учёный является символом сегодняшней физики, – подчеркнул Колачевский. – Идеи, над которыми он работал, касались разных направлений: это лазерный термоядерный синтез, стандарты частоты, полупроводниковые лазеры. Его исследования повлияли на развитие в наши дни и интернета, и Глонасса. Только в XXI веке на работы Басова и Прохорова опирается девять Нобелевских
премий».
Вопросы, как и на любых других занятиях, в Троицкой школе преподавателей физики приветствуются. Дмитрий Морозов, учитель физико-математического лицея Сергиева Посада, поднял интересующую его тему после первого выступления. «В физических законах есть две массы, инертная и гравитационная, – говорит Дмитрий. – И до сих пор нет убеждённости, что это одно и то же. Сегодня мне ответили, что с большой точностью эти две массы равны. И точность растёт с течением времени. Мне обещали прислать материал, если будет возможность. Уже первая лекция была очень интересной, – добавляет Дмитрий. – Я обязательно расскажу детям о Басове, его научном наследии, о том, в каких областях у него были открытия и как они сейчас используются».
В этом году Школа стала шестидневной – оказалось, что в пять дней, как это было ранее, вместить всё просто невозможно. Обучение суперинтенсивное: лекции начинаются в 9 утра, а мастер-классы, пусть и не во все дни, заканчиваются в 10 вечера. Днём экскурсии. Так, только в первые два дня планируется посетить четыре троицких НИИ – ИФВД РАН, ТИСНУМ, ТОП ФИАН и ИСАН. Экскурсии – это, по большому счёту, закрепление «теоретического материала», полученного на лекциях. «Сейчас всё очень быстро развивается, и школьным учителям физики нужно следить за современными тенденциями, ориентироваться в этих процессах, – подчёркивает глава Троицка Владимир Дудочкин. – В Троицке 10 научно-исследовательских институтов, которые охватывают практически весь спектр физической науки». «Значение Троицкой школы и других похожих школ трудно переоценить, – считает начальник управления Президиума РАН Станислав Давыденко. – Мы ждём, что педагоги, пообщавшись с крупнейшими учёными и побывав в современных лабораториях, получат вдохновение и смогут передать его своим ученикам.
И если хотя бы часть из них, в свою очередь, целью своей жизни выберут науку, я считаю, что цель этой Школы будет достигнута».
Наталья МАЙ,
фото Александра КОРНЕЕВА и Кирилла ШАШКОВА
| 18.10.22 | 18.10.2022 Коммерсант. Батарейка внутри кровеносного сосуда |
В ФИАНе создали «химический магнит» для будущих наномоторов
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.
«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 из парамагнитных и диамагнитных металлов?
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 робота помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.
В системе начиналась окислительно-восстановительная реакции, 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 мм.
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.
По материалам статьи «Motion of a Chemically Reactive Bimetal Motor in a Magnetic Field»; Boris Kichatov, Alexey Korshunov, Vladimir Sudakov, Alexandr Golubkov, Vladimir Gubernov, Alexey Kiverin; журнал Physical Chemistry Chemical Physics, сентябрь 2022 г.
| 17.10.22 | 17.10.2022 Научная Россия. В ФИАН создали химический магнит для будущих наномоторов |
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»
| 17.10.22 | 17.10.2022 Атомная Энергия 2.0. Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН создал «химический магнит» для будущих наномоторов |
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
| 13.10.22 | 13.10.2022 Тасс Наука. Создан "химический магнит" для будущих наномоторов |
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.
| 13.10.22 | 13.10.2022 Научная Россия. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН на APCOM-2022 |
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
| 10.10.22 | 10.10.2022 Наука и жизнь. «Альберт, ты не прав» |
Как современные физики доказали, что гении тоже могут ошибаться, совершили вторую квантовую революцию и открыли для человечества новые возможности.
В этом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антуан Цайлингер. В формулировке Нобелевского комитета указано, что эти учёные отмечены «за эксперименты с запутанными фотонами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла и дали начало квантовой информатике». Что запутало эти фотоны, чем важна квантовая информатика и какую практическую пользу эти работы приносят человечеству, рассказывает Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева.
Илл.: John Jost and Jason Amini/Nist, Science 2009
– Николай Николаевич, что такое квантовая запутанность и почему говорят, что физикам удалось распутать Вселенную?
– Для обывателя вопрос квантовой запутанности чрезвычайно непрост. Уже сто лет он будоражит умы учёных. Начался он в двадцатые годы прошлого столетия с так называемого парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР-парадокса. Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, но именно тогда появилась квантовая механика, многие постулаты которой плохо поддаются изучению. Там мало простых ньютоновских аналогов. Мы живем в ньютоновском мире, мыслим ньютоновскими категориями, а квантовая механика оперирует вероятностями, которые могут быть отрицательными, и перепутанностью, которую очень сложно осознать в рамках привычных нам физических представлений.
Если пытаться нарисовать этот парадокс очень грубо, то суть его в следующем: если мы возьмём частицу с нулевым спином, которая может распасться на две частицы, то возможны два варианта – левая окажется со спином минус одна вторая, а правая плюс одна вторая, либо наоборот. Мы не знаем, какой выпадет вариант. Природа не определилась, какая из частиц окажется в том или ином месте. Других вариантов нет, поскольку законы сохранения энергии должны работать. Представим, что одна частица улетит на Венеру, а другая на Марс. Математически всё это описывается в одну строчку и называется белловским состоянием. Это и есть состояние запутанности.
– Оно запутано, именно потому что мы не знаем, куда что улетело?
– Да, именно так. Это был мысленный, гипотетический эксперимент, в результате которого учёные сделали вывод: эти частицы сохраняют состояние запутанности, но если мы получим возможность увидеть, что одна из частиц имеет спин плюс одна вторая, то спин другой частицы, как мы понимаем, равен минус одна вторая. Должна быть строгая корреляция между одним и другим событиями.
Если вернуться в привычный ньютоновский мир, то можно представить, что у нас есть коробка с двумя ботинками – правым и левым. Допустим, мы разрезали эту коробку пополам, и один ботинок отправили на Марс, другой на Венеру, и мы не знаем, где какой ботинок находится. Если, находясь на Марсе, мы видим, что ботинок правый, значит, на Венере должен быть левый. Но квантовая запутанность гораздо тоньше и сложнее: мы можем с этим правым ботинком провести какую-то операцию – например, попытаться переделать его в левый.
– А такое возможно?
– Да, поскольку мы говорим о квантовом состоянии. При этом вторая частица должна симметрично повторять то, что происходит с первой. Иначе говоря, кажется, что происходит обмен информацией, причем происходит мгновенно.
– Со скоростью света?
– Не совсем так. Скорость света, хоть и велика для нас, имеет конечное значение, а здесь речь идет о мгновенно отклике. Именно в этом и состоит парадокс. Возможности проверить эту историю экспериментально не было, поэтому парадокс оставался неразрешимым.
– Слышала, что Эйнштейн отвергал квантовую механику, и на этом был построен его принципиальный спор с Нильсом Бором...
– Да, отсюда и родилось знаменитое выражение Эйнштейна, что Бог не играет в кости, которое означает, что не может быть случайного результата, эта корреляция задана заранее, предопределена; существует некое пространство скрытых переменных, которое определяет результат, а нам только кажется, что это происходит случайным образом.
Фактически до 1980-х годов этот вопрос находился под завесой тайны, а сегодняшние Нобелевские лауреаты с использованием состояния запутанных фотонов начали проводить тесты, чтобы как-то проверить этот парадокс.
– Раньше такое было невозможно?
– И невозможно, и подвергать сомнению авторитет Эйнштейна считалось чем-то неприличным. Но в итоге выяснилось, что, действительно, две частицы в квантовой механике оказываются очень сильно коррелированы, и если я совершаю операцию над одной, то вторая зеркально повторяет это действие. Измерения четко это демонстрируют. Тесты так называемого неравенства Белла приводят к тому, что если я ставлю эксперимент над квантовой системой, то результат измерения должен быть больше суммы вероятностей – условно, больше двойки. А если квантовая природа случайна и существует эйнштейновский мир скрытых переменных, то эта величина оказывается меньше двойки. Возникает неравенство, которое в одном случае подтверждается, в другом нарушается.
Это долгая, насыщенная история, в которой было много оппонентов, не согласных с доказательствами, считавших, что попытка опровержения взглядов Эйнштейна сама по себе крамольна. Однако неоспоримая фундаментальная ценность этой работы в том, что наши трое коллег экспериментально подтвердили довольно простые постулаты квантовой механики. На бумаге они выглядят как совсем несложные математические выражения, показывающие, что нет никаких скрытых переменных, и природа именно так себя ведёт.
– Значит, неверно расхожее утверждение, что нет ничего случайного? Случайность существует?
– Да, существует. Запутанные частицы сохраняют корреляцию на больших расстояниях, что открывает новые колоссальные возможности – телепортация, передача квантовой информации, квантовые вычисления.
– Всегда есть люди, скептически настроенные по отношению к Нобелевке. Вы считаете, что в данном случае всё заслужено?
– Безусловно. Нобелевские награды часто критикуют за отсутствие практических приложений, но в данном случае это точно не так. Здесь есть глубокий философский смысл: интересное фундаментальное ядро коллеги смогли развить экспериментально, объяснив и подтвердив запутанность, которая, как отмечалось, на бумаге записывается очень просто.
– То есть, история оказалась не такой уж запутанной?
– Она действительно запутанная. То, что сегодня в этом направлении делается, находится на грани фантастики. Удалось доказать существование связи между удалённым частицами, в то время как световой сигнал не успевает распространиться от одной частицы к другой. Они друг про друга «знают» быстрее, чем световые импульсы успевают дойти.
– Каким же образом им это удаётся? Ведь мы привыкли думать, что ничего быстрее света в природе не существует.
– Механизм этого процесса нам пока непонятен. Тут есть над чем работать. При этом сами эксперименты могут быть очень яркими: так, недавно учёные захватили два атома на расстоянии десятков километров друг от друга, перепутали их, с помощью фотонов их «связали», а потом, совершая операции над одним атомом, как бы крутя «левый ботинок», они увидели, что правый тоже крутится.
Как это происходит, каким образом природе это удается, человечество ещё не разобралось, но то, что это происходит именно так, как предписывает квантовая механика, не вызывает сомнений. Это означает, что мы можем брать частицу, изменять её спектр, временные характеристики, какие-то свойства, а вторая откликнется, хотя она давно улетела на другой конец города, страны, земного шара.
– Или на другую планету. Знаю, что в руководимой вами лаборатории оптики сложных квантовых систем ведутся подобные исследования. В чём они заключаются?
– Несколько лет назад мы подключились к исследованиям по квантовым вычислениям. В России реализуется дорожная карта по квантовым вычислениям, которую курирует Росатом, и мы стали одной из научных групп, нацеленных на решение этих задач. Мы проводим свои исследования на основе ионов и видим, что операция над одной частицей напрямую влияет на состояние другой, и всё это также базируется на запутанности. Квантовая операция в ионном или фотонном компьютере – это продукт запутывания двух частиц.
У нас есть очень красивый эксперимент, когда ионы выстраиваются в цепочку. В простейшем понимании, один ион – это один кубит. Две соседних частицы с помощью лазерных импульсов и кулоновского взаимодействия, как два шарика на пружинке, запутываются между собой, и мы получаем состояние, о котором я говорил. Мы работаем на самом современном уровне, но основываясь на тех пионерских работах, которые были сделаны предшественниками. Кстати, в 2015-м году у нас в ФИАНе выступал Антуан Цайлингер с докладом на тему квантовой запутанности. Алан Аспе был у нас в 2018-м. Это было невероятно интересное общение.
– Чем ваши исследования оригинальны?
– Я говорил о том, что один ион – это один кубит. Но дело в том, что количество ионов, которые можно удержать в ловушке, сейчас обычно не превышает 50. Тут мы упираемся в техническое ограничение. Мы предложили и реализовали экспериментально, что можно записать в ион не один кубит, а несколько. Внутри одной частицы заключено несколько регистров квантовой информации, и они тоже взаимодействуют. Оригинальность наших работ как раз в том, что мы работаем не с кубитами, а с так называемыми куквартами, когда в одной частице задействовано четыре уровня. Это совершенно новое направление. Мы предложили оригинальную систему в ионе иттербия, больше никто в мире с такой не работает. А с такими сложными многоуровневыми системами работает всего три группы в мире.
Второе – совместно с Квантовым центром идёт работа в области оптимизации квантовых алгоритмов, чтобы с помощью минимального количества операций прийти к интересной реализации. Здесь мы тоже стали одними из идеологических лидеров в мире.
– Какие конкретные прикладные возможности всё это открывает?
– Здесь есть два направления, и оба активно развиваются. Первое – это квантовая коммуникация. Идея в том, что мы можем передавать зашифрованную информацию через состояние одиночных фотонов без возможности её перехватить. Это абсолютно защищённые каналы, базирующиеся на теореме запрета клонирования, известной в квантовой механике. Сегодня уже существуют каналы квантового шифрования, в том числе и в России. Здесь перепутанные состояния стали важнейшей веткой развития. Есть источники перепутанных состояний фотонов – фактически лазерные чипы, почти микросхемы, в которых один фотон идёт одному получателю, другой – другому, когда они обмениваются абсолютно защищёнными ключами. Эти технологии активно используются, например, в банковской сфере.
– Но что это даст обычным людям — не военным, не банкирам?
– В наше время очень мало кто не имеет отношения к банковской системе. Когда мы суём свою карточку в банкомат, происходит обмен цифры-ключа. Безопасность перевода денег базируется исключительно на качестве шифрования. Никто не хочет, чтобы с его счета «увели» деньги, не так ли? Точно так же, как никто не хочет, чтобы вашими персональными данными владели случайные люди, как, увы, нередко происходит. Развитие методов шифрования с помощью одиночных фотонов – это спасение. Для обывателя важен и вопрос безопасного подключения к Интернету, и вопрос защиты персональных данных – все эти вопросы сегодня обостряются, как никогда.
Второе направление, которое тоже активно развивается, как раз то, чем занимается моя лаборатория – квантовые вычисления. Практической пользы человечеству оно ещё не принесло, хотя ожидания очень большие. Это и телепортация, и квантовые операции, и многое другое.
– Когда я слышу слово «телепортация», сразу представляю себе фантастический фильм, где человек заходит в кабину, нажимает кнопку и тут же оказывается в совершенно другом месте. Тут же возникают разного рода опасности, как когда-то было показано в американском фильме ужасов «Муха». Как вы думаете, такое в принципе будет когда-нибудь возможно?
– Здесь идёт некоторое передергивание терминов. В фантастических произведениях идёт речь о телепортации материальных субстанций, что в принципе невозможно. Как говорил Михайло Ломоносов, «ежели где-то что-то прибыло, то где-то что-то убыло».
– А Фридрих Энгельс сказал, что «ничто не исчезает и не появляется вновь»...
– Всё верно. Закон сохранения энергии этому препятствует. Правильно говорить о передаче состояний. Мы понимаем, что отражение в зеркале – это не сам человек, но его чёткий, детальный образ. Поэтому мы говорим именно о телепортации квантовых состояний, когда мы можем с одного атома записать на другой точную информацию о нём.
Это, конечно, чудо – то, что уже сегодня мы можем на расстояние в сотни километров передавать волновую функцию, используя это для разного рода задач. Очень большие ожидания связаны с квантовыми компьютерами, когда квантовую информацию можно будет передавать с одного компьютера на другой. Такие компьютеры не смогут обмениваться информацией по Интернету, как происходит сейчас, им нужны специфические каналы связи, чтобы обмениваться квантовыми состояниями. Это вопрос нескольких десятилетий. Не прямо сейчас, но это обязательно будет.
Мы сейчас даже не можем себе представить, какие ещё перспективы это откроет, но они огромны. Сегодня мы говорим о второй квантовой революции, когда мы научились работать с отдельными фотонами, в то время как первая революция полностью изменила технологический уклад человечества.
Автор: Наталия Лескова
