Теория новейших материалов

Александр Гурьянов
(«ХиЖ», 2022, №10)

Ряд молекул обладают магнитными свойствами, другие — нет. Спин-кроссовер  молекулы в этом смысле необычны, так как их можно переключать между магнитным и немагнитным состоянием. Обычно они представляют собой металлоорганические комплексы, чаще на основе ионов железа, которые модифицируют свои спиновые состояния под действием различных внешних стимулов. Это может быть изменение  температуры и давления, облучение светом.

Спин-кроссовер материалы химики получают внедрением примеси из спин-кроссовер молекул в твердые матрицы различных веществ. Эти новые материалы, например в виде тонких пленок или чередующихся слоев, проявляют разнообразные фазовые переходы, необходимые для работы различных электронных приборов. Ряд специалистов считает, что новые управляемые материалы заменят многие приборы современной кремниевой электроники, которая почти исчерпала возможности своего развития. Однако из-за трудностей изменения фазовых состояний при комнатных температурах эта идея еще себя не реализовала. Пока переключение состояний спин-кроссовер молекул экспериментально  возможно только при низких температурах в десятки Кельвинов.

Эту проблему, десятилетиями волновавшую физиков и химиков, удалось наконец теоретически решить австралийским ученым из Университета Квинсленда.  Исследователи из его Школы математики и  физики под руководством профессора Бена Пауэлла (Ben Powell) построили удивительно точную полуэмпирическую модель квантовых явлений в спин-кроссовер веществах. Математическая модель микроскопических явлений в них основана на полевой теории кристаллов, дополненной учетом упругих межмолекулярных взаимодействий. Такой теоретический подход полностью воспроизводит ключевые экспериментальные результаты, включая фазовые переходы при изменении температуры и индуцированные светом процессы. Интересно, что теоретики объяснили даже ряд тонких температурных зависимостей фазовых переходов в широком классе веществ.

На основе своей новой теории физики предложили химикам пути синтеза новых материалов, в частности за счет увеличения их жесткости. Авторы также продемонстрировали предварительные результаты своей работы на кремнии с примесью спин-кроссовер молекул.

Новая теория, если ее предсказания будут реализованы, откроет путь для создания миниатюрных и энергоэффективных технологий микроэлектроники, так как приборы смогут работать при комнатной и даже повышенной температуре. Их можно будет использовать как сенсоры, поглотители углерода, хранилища водорода в топливных ячейках, приводы роботов, преобразующие электрический ток в механическое движение. Бен Пауэлл говорит, что он также ожидает появление быстрых компьютеров и очень емких аккумуляторов.  Профессор не преминул добавить, что потребление энергии такими приборами будет сильно снижено, что позволит бороться с глобальным потеплением.

Громкие заявления ученого можно понять, он хочет видеть воплощение своих идей в конкретные материалы. Уже заключен договор о сотрудничестве в синтезе новых веществ и их тестировании с химиками Университетов Нового Южного Уэльса и Сиднея. Как говорится, нет ничего практичнее хорошей теории.


(Journal of the American Chemical Society, 144, 20, 9138, 2022)

123

Разные разности

20.11.2022 17:30:00

Исследователи из Университета Тренто в Италии проанализировали, как хранение в прозрачных бутылках влияет на концентрацию летучих веществ, из которых складывается аромат белого вина.

>>
14.11.2022 15:30:00

…порошок безопасного трехкомпонентного сплава Nd2Fe14B при внесении в горелку дает фонтан длинных искр, каждая из которых со временем становится ярче и порождает пучки новых искр…

…приматологи получили первые свидетельства длительных социальных отношений между шимпанзе и гориллами в дикой природе

…низкие концентрации хлорида цетилпиридиния, входящего в состав некоторых ополаскивателей для рта, уничтожают вирус SARS-CoV-2, разрушая его липидную мембрану


>>
10.11.2022 14:00:00

Можно ли что-то противопоставить засухе и защитить посевы? Неожиданное решение придумали ученые из Института физико-химических исследований в Японии. Они предлагают добавлять в почву этиловый спирт.

>>
08.11.2022 15:30:00

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

>>
02.11.2022 12:00:00

Однажды на мероприятии в Белом доме директор компании Goya Foods хвалебно отозвался о президенте Дональде Трампе, после чего в соцсетях сразу появились призывы объявить этой фирме бойкот. Эту историю, которая описывается научным понятием «политический консьюмеризм», исследовали ученые из Школы прикладной экономики и менеджмента Корнеллского университета.

>>