Прорыв в науке о нанонауках при перелете из Нью-Йорка в Иерусалим
Партнерство Корнельско-Еврейского университета обнаружило, что крошечные частицы могут переключаться между фазами
Профессор Ури Банин, основатель Центра нанонауки и нанотехнологий Еврейского университета в Иерусалиме, и его коллеги профессор Ричард Робинсон и профессор Тобиас Ханрат из Корнельского университета сделали прорыв в области нанонауки. В своей недавней работе «Химически обратимая изомеризация неорганических кластеров», опубликованной в Science , авторы раскрывают, что «нанокластер магического размера» — это недостающее звено, которое устраняет разрыв между тем, как материя перестраивается в мелкомасштабной молекулярной изомеризации и в целом. Фазовые переходы в твердом объеме.
Изомеризация — превращение молекулы в другую молекулу с теми же атомами, просто в другом расположении — распространена в природе. Часто это вызвано добавлением энергии, например, когда свет вызывает переключение молекулы в сетчатке, что позволяет нам видеть; или как оливковое масло при слишком высоком нагревании изомеризуется в нездоровую форму, известную как транс-жир. Объемные материалы, такие как графит, также могут превращать фазы — например, в алмазы — но они требуют гораздо больше энергии, и изменение происходит более постепенно, причем изменение медленно распространяется по всей молекуле.
В течение многих лет ученые искали мост между двумя мирами: между большими материалами, которые изменяются медленнее, и маленькими, органическими материалами, которые могут последовательно перемещаться назад и вперед, между двумя состояниями. Это оставалось неуловимым недостающим звеном в стремлении нанонаучников нанести на карту и понять переход от молекулярной изомеризации к фазовым переходам. Чтобы открыть этот мост, им нужно было найти, при каких размерах нанокристаллы изменят свою внутреннюю структуру за один быстрый шаг, как это делают молекулы во время изомеризации. Банин и Робинсон обнаружили это магическое число на случайном перелете из Итаки в Иерусалим.
Три года назад Робинсон находился в творческом отпуске в нанонаучной лаборатории Банина в Еврейском университете. Находясь в Иерусалиме, Робинсон попросил аспиранта из дома отправить ему по почте наночастицы определенного размера.
«Когда они добрались до меня, я измерил их спектрометром и сказал:« Подождите, вы послали мне более мелкие частицы вместо более крупных ». И он сказал: «Нет, я послал вам большие», — вспоминает Робинсон. «Мы поняли, что они, должно быть, изменились за время полета. И это вызвало каскад вопросов и экспериментов, которые привели нас к этому новому открытию ».
Банин, Робинсон и Ханрат пришли к выводу, что частицы изменились во время их поездки из Итаки в Иерусалим. «Во время полета в грузовом контейнере должна была быть влажность, и образцы меняли свою фазу», — пояснил Банин.
Объединенная команда Еврейского университета и Корнелла начала изучать переход в небольших кластерных молекулах, в частности, «нанокластерах магического размера». Эти кластеры содержат только 57 атомов, что делает их больше, чем ваши типичные молекулы, но все же намного меньше, чем объемные материалы, такие как графит или алмазы. Исследователи обнаружили, что переход в этих кластерах, когда они меняются от одной структуры (или фазы) к другой, происходил за один шаг, как в случае изомеризации в малых молекулах. Таким образом, команда обнаружила недостающую связь между объемными фазовыми переходами и молекулярной изомеризацией.
Хотя необходимы дальнейшие исследования, возможные будущие приложения включают использование этих частиц в качестве переключателей в вычислениях или в качестве датчиков, поделился Банин. Это открытие также может найти применение, относящееся к квантовым вычислениям или как источник для создания более крупных наночастиц.
«Сто лет назад Альберт Эйнштейн не мог предсказать, что его теория относительности станет основой для систем GPS и приложения Waze, на которое мы привыкли полагаться при навигации. Нанокластеры — это химические вещества, которые можно использовать для создания других более крупных материалов. Возможность манипулировать их точным переходом из одного состояния в другое может иметь много важных применений в будущем », — заключил Банин.
