Содержание
Серебряный трилистник разглядели в микроскоп. Российские ученые разгадали тайну странных трилистников на поверхности серебра
Российские ученые сделали открытие, полезное для получения оксидов этилена — важнейшего сырья для химической промышленности. Сделать это удалось при помощи уникального туннельного микроскопа.
Группа исследователей из Института общей физики РАН (ИОФ РАН) опровергла общепринятые представления о процессах, происходящих на поверхности серебра в самом начале его окисления, тем самым приблизившись к пониманию сложнейшего механизма взаимодействия серебра и молекулярного кислорода. Это чрезвычайно важно как для фундаментальной науки, так и для дальнейших приложений в химической промышленности. О своей работе ученые рассказали в статье, опубликованной в июльском номере журнала Physical Review Letters.
Серебро используется в промышленных масштабах в качестве катализатора.
Одна из важнейших реакций — реакция частичного окисления этилена, при котором возможны два канала.
В первом случае происходит «сгорание» этилена до углекислого газа и воды. Однако наиболее интересным и мягким является частичное окисление с образованием эпоксида, и перед исследователями всегда стояла задача заставить реакцию окисления развиваться по второму сценарию.
По словам одного из авторов статьи, заведующего лабораторией физики поверхности ИОФ РАН Бориса Андрюшечкина, экспериментально химики научились окислять до 80–90% этилена в эпоксид, однако механизм данной реакции на уровне отдельных атомов остается неустановленным до сих пор и является «одной из самых интригующих» проблем физики/химии поверхности на протяжении последних нескольких десятилетий.
Основным нерешенным вопросом является определение структур, состоящих из особых атомов кислорода на поверхности серебра, которые и участвуют в образовании эпоксида. Проблема оказалась трудноразрешимой — отчасти из-за ее теоретической сложности, отчасти из-за невозможности однозначно определить реальную атомную структуру окисленной поверхности.
Ситуация изменилась в девяностых годах прошлого века, когда был изобретен новый удивительный прибор — сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий видеть на поверхности отдельные атомы.
В начале нашего века, изучив с его помощью момент начала окисления серебряной поверхности, ученые обнаружили на ней множество темных объектов размером около 1 нанометра. Что это за пятна, было неясно, однако, подумав, научное сообщество решило, что это отдельные атомы кислорода, адсорбированные (захваченные и прикрепленные) на поверхности серебра.
Эта интерпретация была простейшей, и она устроила на тот момент всех исследователей в данной области, но, как сейчас выясняется, была неверной.
Научный коллектив из Института общей физики РАН — одна из немногих групп в России, способных проводить исследования на атомном уровне при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Более того, именно ученые из ИОФ РАН являются разработчиками линейки сверхвысоковакуумных сканирующих туннельных микроскопов GPI-300 и GPY CRYO, серийно производимых российской компанией SigmaScan.
В своей работе ученые использовали низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп GPY CRYO, работающий при температуре жидкого гелия (–268 ºС). При этой температуре атомы на поверхности полностью теряют свою подвижность, в результате чего становится возможным получать изображения поверхности с атомным разрешением наивысшего качества. На этих изображениях вместо «простых» черных точек, наблюдаемых ранее, ученые обнаружили объекты причудливой формы, напоминающие трилистники. Для того чтобы понять, какого рода объекты скрываются за трилистниками, в ИОФ РАН были проведены теоретические расчеты. В результате было установлено, что каждый объект состоит из вакансии в верхнем слое серебра, вокруг которой распределены шесть атомов кислорода, причем три атома находятся на поверхности, а три — под первым слоем серебра.
«Трилистники» из атомов кислорода на поверхности серебра, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа
По словам Бориса Андрюшечкина, каждый трилистник можно назвать точечным, или локальным, оксидом.
Установление его атомной структуры — лишь первый шаг в понимании процессов, происходящих при окислении серебра, но шаг серьезный.
«Наша работа, — продолжает Борис Андрюшечкин, — существенно меняет общепринятые представления о природе атомных структур, образующихся на поверхности серебра на начальных этапах окисления. Это означает, что и последующие структурные и химические превращения на поверхности серебра при окислении могут проходить не так, как это нам сейчас представляется».
Исследования атомных структур поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
«Как известно, основная проблема науки — финансирование. Без него не удержишь молодых. Размер гранта РНФ превышает размер гранта РФФИ почти в 10 раз, поэтому он позволяет обеспечить достойную зарплату сотрудникам. Мы проводили и проводим исследования на мировом уровне. У нас появилась идея проекта, и наша инициатива была поддержана грантом РНФ», — говорит ученый.
Теги
СМИ о Фонде, Физика и космос
Квантовый микроскоп и непосредственное наблюдение абстракций: ailev — LiveJournal
?
Anatoly Levenchuk (ailev) wrote,
Category:
- Cancel
catIsShown({ humanName: ‘наука’ })» data-human-name=»наука»> НаукаВ микроскоп уже не только атомы отдельные разглядывают, но и строение одного атома. Вот, полюбуйтесь, фото(!) атома водорода крупным планом, сделанное при помощи квантового микроскопа:
Подробности тут: http://io9.com/the-first-image-ever-of-a-hydrogen-atoms-orbital-struc-509684901
Это ко всяким эпистемологическим дискуссиям о том, можем ли мы наблюдать какие-то абстракции непосредственно (например, буквально сегодняшнее: http://sober-space.livejournal.com/65555.html). Это ведь без разницы, через глаз непосредственно, или через прибор-экран далее через глаз, или через прибор-нейроинтерфейс-прямо в мозг, хоть видеообразами, хоть сразу синестезиями, хоть шестым чувством. На эту тему горы литературы написаны, но литература отдельно — а жизнь (с её нейроинтерфейсами и квантовыми микроскопами) и её массовое обсуждение (с его интернетами), похоже, отдельно.
Я как химик всю эту квантовую химию изучал, в том числе уравнение Шрёдингера (ага, вместе с гамильтонианом, как сейчас помню) на экзамене сдавал. Ну, и дружил с теми, кто занимался квантовохимическими расчётами. Абсолютно было понятно, что речь идёт о чистой абстракции, и увидеть эту абстракцию никогда нельзя будет. Ан вот. Интересно, воспроизведут ли это где, будет ли опровержение или фотографии электронных облаков будут через десяток лет так же привычны, как сейчас фотографии групп отдельных атомов.
Я уже зарекался просто давать ссылки на интересненькое, у меня же тут не новостная лента. Но иногда жалко закрывать табы и терять при этом ссылки: время от времени эти ссылки бывают самому нужны ещё раз, а оказываются потеряны. Так что до кучи к этим электронным облакам вот ещё всякого:
— конференция TRANSHUMAN VISIONS: http://brighterbrains.org/articles/entry/transhuman-visions-san-francisco-conference-tickets-on-sale-now, но это ерунда. Реально забавна конференция 2.0 — там смесь искусственного интеллекта с мормонами, химии мозга с оккультистами, сингулярности с полигамией: http://brighterbrains.
org/articles/entry/transhuman-visions-east-bay-march-1-2014
— разговор Bruce Sterling and Jon Lebkowsky: State of the World 2014: http://www.well.com/conf/inkwell.vue/topics/473/Bruce-Sterling-and-Jon-Lebkowsky-page01.html
— подборка видео роботов-2013 от IEEE Spectrum: http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/artificial-intelligence/video-friday-our-favorite-robot-videos-and-biggest-stories-from-2013
— книжка Plus! The Standard+Case Approach (про смесь BPM и управления кейсами): http://www.amazon.com/Plus-The-Standard-Case-Approach-ebook/dp/B00CXSYVAW
— если я когда-нибудь захочу рисовать: http://www.amazon.com/How-Draw-sketching-environments-imagination/dp/1933492732
И ещё, вроде, удалось восстановить полную мою прошлогоднюю уже лекцию по цифровому производству для студентов МФТИ кафедры РВК (http://ailev.livejournal.com/1098072.html). Не проверял — может, там что-то и оказалось пропущено. Хотя звук там довольно тихий, но разобрать слова можно: http://penxy.
com/xapa
Subscribe to Telegram channel ailev
Subscribe
lytdybr
Девятая глава «Системного менеджмента» уже опубликована в Aisystant, она про практику лидерства. Намеренно там не влезал в психологию и социологию,…
lytdybr
В разделе по лидерству осталось только дописать «розовый слайд» из видеокурса (прохождение шага развития), связать личное и корпоративное…
lytdybr
Нарисовал в главу вторую ещё одну диаграмму для всё того же самого: как думать про фирму в целом (ибо про каждую отдельную часть понимание вроде…
Photo
Hint http://pics.livejournal.com/igrick/pic/000r1edq
lytdybr
Девятая глава «Системного менеджмента» уже опубликована в Aisystant, она про практику лидерства. Намеренно там не влезал в психологию и социологию,…
lytdybr
В разделе по лидерству осталось только дописать «розовый слайд» из видеокурса (прохождение шага развития), связать личное и корпоративное…
lytdybr
Нарисовал в главу вторую ещё одну диаграмму для всё того же самого: как думать про фирму в целом (ибо про каждую отдельную часть понимание вроде…
Первая фотография тени атома — самая маленькая из когда-либо сфотографированных
Ученые сделали первый в истории снимок тени атома — самой маленькой из когда-либо сфотографированных с использованием видимого света.
Исследователи говорят, что метод визуализации может иметь большое значение для генетических исследований и криптографии.
(Extreme Scientific Imaging: Best of 2011 Named.)
Первопроходцы-затворники использовали электрическое поле для подвешивания заряженного атома или иона элемента иттербия в вакуумной камере. Затем они выстрелили в иттербий лазерным лучом — примерно в тысячу раз шире атома.
Атом иттербия поглотил крошечную часть света, и полученная тень была увеличена с помощью объектива, прикрепленного к микроскопу, а затем записана с помощью сенсора цифровой камеры.
Команда использовала иттербий, потому что они знали, что могут создавать лазеры нужного цвета, которые будут сильно поглощаться этим элементом.
«Каждый элемент реагирует на разные длины волн… поэтому нам потребуются разные лазерные системы, чтобы использовать этот метод на другом атоме», — сказал руководитель исследования Дэйв Килпински. Он добавил, что атомы — это мельчайшие объекты, которые можно увидеть в видимом свете, и хотя снимки теней, сделанные командой, беспрецедентны, сами атомы были сфотографированы раньше.
С момента создания уникального снимка команда совершенствовала свою технику, создавая (еще не опубликованные) фотографии теней иттербия, вдвое более темных, чем на изображении выше, сказал Килпински, физик из австралийского Университета Гриффита.
Группа также работает над увеличением разрешения своих изображений, чтобы однажды можно было увидеть, как электроны, вращающиеся вокруг атома, влияют на форму его тени.
(См. также: «Протон меньше, чем думали — может переписать законы физики».)
Atomic Encryption
Техника теневого изображения однажды позволит ученым изучать ДНК внутри живых клеток, освещая их лазером и наблюдая закономерности поглощения света, говорят исследователи. Современные методы, включающие присоединение специальных молекул к ДНК, потенциально опасны для клеток.
(См. также «Обнаружен бозон Хиггса? Без «божественной частицы», нет ни галактик, ни жизни».) как устройства хранения данных и квантовая физика, чтобы гарантировать конфиденциальность, сказал Килпински.
«Наша работа дает новый способ заставить свет говорить с отдельными атомами, — добавил он, — так что мы можем придумать новые протоколы для этих узлов хранения».
Исследование атомной тени подробно описано в выпуске журнала Nature Communications от 3 июля.
Читать далее
Как это культовое фото превратило пуму-затворника в звезду
- Животные
Как это культовое фото превратило пуму-затворника в звезду
«Нет такого кота, как он», — говорит фотограф Nat Geo Стив Винтер, чей образ P-22 помог сделать пуму знаменитостью. После недавнего ненормального поведения стареющую кошку поймали для дальнейшей оценки.
«Змеи» на Луне? Они могли бы присоединиться к нашей лунной миссии.
- Наука
«Змеи» на Луне? Они могли бы присоединиться к нашей лунной миссии.
НАСА нужна небольшая армия роботов и марсоходов, чтобы помочь исследовать коварную местность Луны. Конкурс колледжей породил несколько новаторских идей.
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
0
Почему люди так чертовски одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету
Подробнее
Взгляните на изображение атомов с самым высоким разрешением из когда-либо сделанных.
Когда люди изобрели первый оптический микроскоп в 1600-х годах, максимально достижимое увеличение было всего около 270x.
Оптические или световые микроскопы используют свет и серию увеличительных линз для раскрытия скрытого мира клеток. Но это означает, что все, что меньше длины волны света, будет невидимо невооруженным глазом.
Войдите в мир электронной микроскопии, где вместо источника света используются электроны с длиной волны в 100 000 раз короче, чем у видимого света. Изобретен в 19С 30-х годов типичные электронные микроскопы способны рассматривать множество биологических и неорганических образцов, таких как микроорганизмы, клетки, металлы и кристаллические структуры, с увеличением до 10 000 000 раз.
Но и электронные микроскопы оказались узким местом. Увеличение разрешения изображений требует увеличения энергии электронного пучка. Это означает катастрофу для образцов, особенно биологической природы, поскольку энергия станет настолько огромной, что станет разрушительной.
Электроны сходят с ума.
Окунитесь в мир птихографии. В этом методе тоже используются электроны, но с хаотичным поворотом. Устранив электромагнитные линзы, используемые в стандартных электронных микроскопах, птихографический микроскоп испускает миллиарды электронов в секунду в целевой материал под разными углами. Затем исследователи наблюдают, как материал рассеивает электроны — иногда электроны проходят чисто; в других случаях они сталкиваются с атомами и отскакивают внутри материала, прежде чем покинуть его. Основываясь на массиве паттернов, генерируемых электронами при попадании на детектор, передовые алгоритмы могут определять расположение атомов в материале и их форму, таким образом создавая изображение материала, сохраняя при этом его первозданное состояние.
Используя этот метод микроскопии, профессор Дэвид Мюллер и его исследовательская группа получили изображение атомов с самым высоким разрешением на сегодняшний день с впечатляющим увеличением в 100 000 000 раз.
Они даже побили свой собственный мировой рекорд Гиннеса в 2018 году, где они также добились самого высокого на тот момент разрешения микроскопа.
Это демонстрация возможностей усовершенствованных алгоритмов и высокопроизводительных вычислений в преодолении физических ограничений микроскопов.
Большая картина.
Теперь, вместо толщины от одного до нескольких атомов, группа профессора Мюллера может использовать электронную птихографию для захвата нескольких слоев толщиной от десятков до сотен атомов. Это делает метод гораздо более актуальным для материаловедов, особенно для тех, кто изучает наноматериалы и не только.
Поскольку компьютерные чипы на основе кремния постепенно приближаются к атомному масштабу, возможность видеть, что происходит на атомном уровне, имеет важное значение для разработки электронных устройств следующего поколения. Это может значительно ускорить поиск альтернативных материалов для замены кремния в энергосберегающих полупроводниках, обладающих большей вычислительной мощью, а также улучшить методы визуализации материалов, используемых в квантовых компьютерах.
Кроме того, этот метод микроскопии с высоким разрешением может принести пользу производителям аккумуляторов. Ученые могут более детально изучить химические реакции, чтобы изучить, как различные материалы взаимодействуют друг с другом, создавая тем самым более безопасные и эффективные системы хранения энергии, которые имеют решающее значение для перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.
Но является ли это знаковое исследование окончательным пределом того, как далеко мы можем заглянуть в фундаментальные строительные блоки объектов?
На изображении, предоставленном исследовательской группой (главное изображение), вы можете наблюдать расплывчатый ореол, окружающий отдельные атомы. Размытость — это не ошибка детектора или помехи из воздуха — это колебания самих атомов из-за тепла, исходящего от электронов.
Так что, если не существует способа охладить и зафиксировать атомы на месте и наблюдать за ними совершенно по-новому, возможно, это самое лучшее, что может быть!
* Прим.