Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. TEM изображения графеновых плёнок и ОСНТ, используемых в работе [1].
Рис. 2. Схема исследований
Рис. 3. Изменение ЛДГ, маркера повреждения клеток (% к контролю), от концентрации наноматериалов [1].
Рис. 4. Схема установки для измерения взаимодействия СВЧ-излучения с графеном: а - структура для измерения сигнала земля-сигнал-земля; b - схема эквивалентной цепи; с – SEM-изображение листов ОГ, расположенных в межэлектродном промежутке размером 3 мкм; d – AFM-изображение листа ОГ, использованного в эксперименте.
Рис. 5. Действительная и мнимая части характеристического сопротивления графеновых слоев (ОГ). Для сравнения показаны соответствующие параметры для разомкнутой цепи и золотого контакта
Рис. 6. Две квантовые точки, сформированные в двумерном электронном газе электрическим полем наноэлектродов
Рис. 7 Кластер Au20, осажденный на допированную алюминием подложку MgO: плоский изомер (а – вид сверху, б – вид сбоку) и тетраэдральный изомер (в – вид сверху, г – вид сбоку). Зеленым, красным, пурпурным и желтым обозначены атомы магния, кислорода, алюминия и золота, соответственно. Синие и красные изоповерхности соответствуют областям истощения и накопления заряда.
Рис. 8 Трехмерная реконструкция расположения атомов в наночастице Ag.
Рис. 9. Схема спинового фильтра из работы [1]. Электроны испускаются из подложки Au при воздействии на нее импульсного лазерного излучения (энергия фотонов 5.84 эВ, длительность каждого импульса около 200 пс, частота повторения импульсов 20 кГц, флюенс 150 пДж/см2). Спин большинства электронов, прошедших через слой перпендикулярных подложке молекул ДНК, направлен противоположно их скорости. Электроны с другим направлением спина “застревают” в ДНК и затем возвращаются обратно в заземленную подложку.
Рис. 10. Конфигурации мыльной пленки с наименьшей энергией: а - h=H/A < 0.41; б - h> 0.44 [1].
Рис. 11. а - Экспериментальная установка по исследованию метастабильных состояний мыльных пленок;
б - зависимость площади пленки, нормированной на квадрат стороны основания призмы s = S/A2 от параметров b = B/A и l = L/A (см. рис. 1)
при различных величинах относительной высоты призмы h=H/A.

ПерсТ-дайджест

Ключевые слова:  Перст

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

25 марта 2011

Цитотоксичность графена и нанотрубок - форма важнее содержания

В последнее время появляется всё больше работ, посвященных различным применениям графена. Ученые, работающие в области биомедицины, тоже надеются использовать его замечательные свойства. Одна из идей – доставка белков для реконструкции нейронов и восстановления нервной системы. Это необходимо для борьбы с таким тяжелым недугом как болезнь Альцгеймера. Однако токсичность и биологическая активность графена до сих пор не были изучены. Первые результаты опубликовали учёные из

National Center for Toxicological Research и Univ. of Arkansas (США) [1]. Они оценили in vitro токсичность графена в отношении клеток PC12 (часто используемых в качестве модели нейронов мозга) и сравнили с воздействием углеродных нанотрубок. Плёнки графена, состоящие из 3-5 слоёв, были получены RF-CVD методом с катализатором Fe-Co/MgO. Одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) диаметром 0.8-1.2 нм тоже были синтезированы с использованием метода RF-CVD и Fe-Co/MgO катализатора (рис. 1).

Как известно, наноматериалы могут вызывать апоптоз и некроз* клеток. Для того чтобы разобраться в механизме клеточной смерти, возможной под воздействием графена, исследователи [1] проследили за изменениями двух важных ферментов - лактатдегидрогеназы (ЛДГ), маркера некроза клеток, и каспазы, индикатора апоптоза. Кроме того, они оценили метаболическую активность клеток РС 12 и генерацию активных форм кислорода (АФК), вызывающих окислительный стресс (рис. 2).

Результаты продемонстрировали, что изменения этих показателей под действием графена и ОСНТ, имеющих одинаковый химический состав и кристаллическую структуру, сильно отличаются. Это тот самый случай, когда форма важнее содержания – токсичность напрямую связана с формой наноматериала. Так, например, ОСНТ вызвали резкое повышение уровня ЛДГ (показателя повреждения клеточной мембраны и некроза клеток), рис. 3. При воздействии графена уровень ЛДГ превысил контрольную величину только для самой высокой концентрации (100 мкг/мл), да и то лишь после 24 ч инкубации.

Очевидно, ОСНТ сильнее повреждают клеточные мембраны из-за своей “игольчатой” формы. Микроскопические наблюдения изменений морфологии клеток под воздействием графена подтвердили, что клеточные мембраны не повреждаются, хотя на поверхности клеток и образуются агрегаты.

Оценка метаболической активности показала, что при концентрациях ~ 0.1 мкг/мл токсичность графена несколько выше, чем ОСНТ, при бóльших концентрациях – наоборот.

Механизм токсичного воздействия графена, по-видимому, связан с окислительным стрессом, т.к. при большой концентрации наноматериала или средней концентрации, но длительной инкубации, наблюдается генерация АФК. Активность каспазы зависит от времени воздействия, что свидетельствует об апоптозе (но слабом).

Экспериментальных данных ещё явно недостаточно для того, чтобы делать окончательные выводы, но одно ясно – в малых дозах (0.01 мкг/мл) графен можно использовать без опаски, т.к. для этой концентрации изменений ни в одном из четырёх исследованных показателей токсичности обнаружено не было. Авторы [1] полагают, что графен может стать ключевым наноматериалом при лечении нейродегенеративных заболеваний.

О.Алексеева

1. Y.Zhang et al., ACS Nano, 4, 3181 (2010).

Взаимодействие оксида графена с СВЧ-излучением

Такие замечательные свойства графена, как повышенная электро- и теплопроводность в сочетании с прозрачностью, механической прочностью и химической стабильностью указывают на возможность практического использования этого материала в новых высоких технологиях. Для реализации этих перспектив необходимо располагать надежными количественными данными о поведении графенов в различных условиях. В частности, данные о характере взаимодействия графенов с СВЧ электромагнитным излучением необходимы для изготовления на основе графенов новых средств защиты оборудования от электромагнитного излучения, а также для разработки различных электронных приборов на основе графенов. Попытка экспериментального получения таких данных предпринята группой исследователей из Южной Кореи [1], которые в качестве исходного материала использовали листы оксида графена (ОГ).

ОГ получали из порошка графита по стандартной методике Хаммерса. Их суспензию в диметилформамиде (массовое отношение – 0.0001) в течение 10 мин подвергали ультразвуковой обработке. Затем каплю суспензии (0.5 мкл), содержащую листы ОГ с небольшим числом слоев, наносили на подложку SiO2 между электродами, к которым в течение 1 мин прикладывали переменное напряжение с частотой 100 кГц. После этого листы ОГ в течение 2 ч подвергали термической обработке в аргоне при температуре до 400°C и давлении 800 Торр с целью химического восстановления и получения проводящих образцов графена. Синтезированные таким образом листы графена исследовали на предмет пропускания СВЧ-излучения в диапазоне частот от 0.5 до 40 ГГц.

Схема установки для измерения частотной зависимости коэффициента пропускания графена показана на рис. 4. Cr/Au электроды (10/400 нм) напыляли на подложку методом электроннолучевой литографии. Транспортные характеристики 6 образцов графена были измерены при межэлектродном расстоянии 8.5 мкм (образец 1); 3 мкм (образец 2); 2.8 мкм (образец 3); 2.2 мкм (образец 4); 2.4 мкм (образец 5) и 4.3 мкм (образец 6). На рис. 5 показаны результаты измерения частотных зависимостей действительной и мнимой части импеданса образцов. Как видно, усредненная величина действительной части импеданса (сопротивления) проявляет монотонный спад от 450 до 19 Ом при увеличении частоты от 0.5 до 40 ГГц. Мнимая часть импеданса всегда отрицательна, что указывает на емкостной характер реактивного сопротивления.

Обработка приведенных зависимостей стандартным способом позволила определить средние величины удельного сопротивления графена в рассматриваемом частотном диапазоне (от 550 Ом/мкм при 0.5 ГГц до 11 Ом/мкм при 40 ГГц) и удельной индуктивности (от 0.27 мкГн/мкм до 0.4 нГн/мкм).

А. Елецкий

1. W.K.Kim et al., Appl. Phys. Lett. 97, 193103 (2010).

Кубиты-долгожители

Типичное время t сохранения когерентности кубитов на основе электронных спинов в квантовых точках составляет ~ 1 мкс. Этого недостаточно для практического использования таких кубитов в квантовой информатике. В работе [1] (США, Израиль) сообщается об увеличении t до 200 мкс. Роль базисных играли состояния (­,¯) и (¯,­) пары электронов в двух соседних квантовых точках (см. рис. 6).

Декогерентизацию из-за взаимодействия электронных спинов с ядерными удалось подавить, воздействуя на систему последовательностью p-импульсов. Теперь за время t можно успеть выполнить ~105 операций с кубитами. Этого уже хватит для реализации алгоритмов коррекции квантовых ошибок. А немножко улучшив методику [1], можно довести t и до миллисекундного диапазона.

Фотоны представляют собой идеальные носители квантовой информации: они быстро преодолевают большие расстояния, ими легко управлять обычными оптическими методиками (в том числе конструировать из них перепутанные состояния), для их регистрации разработаны надежные однофотонные детекторы. Чтобы повысить надежность передачи квантовой информации посредством фотонов, требуются “квантовые репиторы” – устройства для хранения и последующего “высвобождения” перепутанных фотонов. Фактически речь здесь идет о “квантовой памяти”. В работах [1, 2], опубликованных в одном номере журнала Nature, описывается такая память, изготовленная с использованием кристаллов, легированных ионами редкоземельных элементов и охлажденных до криогенных температур. Ранее квантовую память удавалось сделать только из атомов в магнитной ловушке. Твердотельная память гораздо предпочтительнее с практической точки зрения, поскольку облегчает интеграцию различных рабочих модулей. Впрочем, предстоит еще потрудиться над повышением ее эффективности и увеличением времени хранения квантовой информации.

1. H.Bluhm et al., Nature Phys. 7, 109 (2011).

Алюминий диктует форму, золото определяет содержание

многом зависит от их морфологии: различные структурные изомеры, иногда даже очень близкие по энергиям, зачастую имеют совершенно разные механические, электронные, магнитные и тепловые характеристики. Особенно это заметно при переходе геометрии формы металлокластера от объемной к плоской (квазидвумерной). Плоская форма Au20 является эффективным катализатором, однако, на практике получение золотых кластеров заданной морфологии задача далеко не тривиальная. В работе [1] особое внимание уделяется золотым наночастицам, а именно кластерам Au20, которые имеют как тетраэдральный, так и плоский тип структурных изомеров (см. рис.7)

Авторами на основе данных “первопринципных” (DFT) расчетов предлагается альтернативный и достаточно несложный метод стабилизации необходимой формы кластеров золота Au20 посредством допирования подложки MgO атомами алюминия. В своих расчетах исследователи поместили как плоские, так и тетраэдральные кластеры Au20 на четырехслойную подложку MgO, в которой несколько атомов Mg замещены на атомы Al (dAl-MgO). Рассматривались два случая: атомы алюминия замещали атомы магния во втором или в третьем слое. Кроме того, в каждом из этих случаев имели место различные концентрации допирования: 0.69%, 1.39% и 2.78%. В случае концентрации 0.69% авторы также рассмотрели два возможных месторасположения атомов алюминия в подложке: непосредственно под кластером золота и в некотором удалении от последнего. Следующим этапом был непосредственный расчет энергии связи закрепленного на подложке изомера Au20, которая определялась как энергия необходимая для разделения системы Au20/dAl-MgO на отдельно подложку и изолированный кластер. Оказалось, что с увеличением концентрации алюминия энергия связи кластера на подложке также увеличивается и практически не зависит от номера слоя, в котором находятся примесные атомы алюминия. При этом плоская конфигурация связывается с подложкой гораздо сильнее. Например, при концентрации допирования 2.78% и локализации атомов алюминия во втором слое MgO энергия связи плоского изомера с подложкой почти в два раза больше, чем тетраэдрального. Также исследователи показали, что стабильность изомеров Au20 нисколько не зависит от того находится ли атом алюминия непосредственно под кластером или нет. В конечном итоге, в работе [1] предложен легко осуществимый способ контроля морфологии кластеров золота Au20 на допированной алюминием подложке MgO, который может оказаться полезным для каталитических приложений. Теперь дело за экспериментальной проверкой и практической реализацией.

М. Маслов

1. N.Mammen et al., J. Am. Chem. Soc. 133, 2801 (2011).

Трехмерные изображения наночастиц

Знание 3D-конфигураций атомов в наночастицах требуется и при конструировании наноразмерных устройств, и в ряде приложений (оптоэлектроника, катализ). Кроме того, физико-химические свойства наночастиц определяются не только их химическим составом, но и 3D-морфологией. В работе [1] реконструкция 3D-изображений кристаллических наночастиц серебра в алюминиевой матрице выполнена на основе данных сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и дискретной томографии (см. рис.8).

Для этого оказалось достаточно всего два “взгляда” на каждую из них (с разных ракурсов), дополненных информацией о типе кристаллической решетки (гранецентрированная кубическая) и предположением об отсутствии в наночастицах пустот. Дополнительные исследования подтвердили правильность полученных результатов.

1. S.Van Aert et al., Nature 470, 374 (2011).

Спинтроника: новый поворот

В спинтронике для поляризации электронных спинов можно либо использовать магнитное поле (внешнее или имеющееся в ферромагнетике), либо пропускать электроны через вещество с сильным спин-орбитальным взаимодействием. При этом максимальная поляризация P = (N­-N¯)/(N­+N¯) составляет 25%. В работе [1] (Германия, Израиль) предложен новый, на удивление эффективный способ “фильтрации” электронов по спину. Он заключается в пропускании фотоэлектронов через монослой самоупорядоченных молекул ДНК с двумя спиралями каждая (см. рис.9).

При этом оказывается, что вероятность прохождения слоя ДНК гораздо выше для электронов, спин которых направлен противоположно их скорости. Эффект не зависит от поляризации лазерного излучения (линейная или круговая), но отсутствует для слоя односпиральных ДНК, которые не образуют упорядоченный массив, а располагаются на подложке хаотически. Поляризация электронных спинов усиливается при увеличении длины молекул ДНК и достигает 60% (при комнатной температуре). Так как молекулы ДНК состоят из легких атомов (водород, углерод) с очень слабым спин-орбитальным взаимодействием и находятся на немагнитной подложке, то полученные в [1] результаты представляются довольно неожиданными. По-видимому, нужно пересмотреть наши взгляды на роль спина во взаимодействии электронов с хиральными биологическими объектами.

Л.Опенов

1. B.Göhler et al., Science 331, 894 (2011).

Мыльная пленка обладает “памятью”

Как написано во всех учебниках по физике, мыльная пленка стремится принять такую форму, чтобы ее поверхность была наименьшей. В классических опытах Плато данное свойство использовалось для решения математической задачи минимизации площади поверхности. Тем удивительнее наблюдение бельгийских ученых: пленка может сохранять конфигурацию, даже если она уже не соответствует абсолютному минимуму энергии [1].

В простейшем случае формой, соответствующей минимуму поверхностной энергии является сфера, но если пленка натянута на каркас, например, на треугольную призму, то конфигурация становится более сложной (рис. 10 а, б). Отношение высоты призмы H к стороне ее основания A определяет, какая из двух конфигураций, изображенных на рис. 1, энергетически более выгодна: при малых величиинах h=H/A в центре призмы образуется перетяжка треугольной формы, при больших h – мыльные поверхности сходятся, образуя вертикальный отрезок (эти два случая показаны на фотографиях рис. 1). Для каждой величины h только одна из двух конфигураций соответствует минимуму энергии. Тем не менее, как показали численные и натурные эксперименты, в области 0.41 < h < 0.44 возможно существование обеих фаз, а то, какая из них реализуется, зависит от предыстории пленки.

Описание экспериментальной методики, используемой авторами [1], навевает воспоминания о детских книжках про опыты в домашней лаборатории (рис. 11а): основу установки составляют линейка, зеркало и подвижный проволочный каркас, окунаемый в мыльный раствор. Отдавая дань автоматизации, бельгийские исследователи добавили еще мотор и цифровую фотокамеру.

Результаты численного моделирования, совпадающие с результатами эксперимента, представлены на рис. 11б в виде зависимости поверхностной энергии от параметров b = B/A и l = L/A, характеризующих тип и размеры центральных перемычек. Как видно из рис. 11б в диапазоне h от 0.41 до 0.44 существуют два локальных минимума поверхностной энергии (метастабильные состояния), и система будет оставаться в одном из них, пока скачком не перейдет в другое состояние. Таким образом, наблюдается ярко выраженный фазовый переход первого рода с гистерезисом: конфигурация пленки зависит не только от высоты призмы, но и от предыстории системы.

А. Пятаков

1. N. Vandewalle et al., Phys. Rev. E 83, 021403 (2011).


Источник: ПерсТ




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Червячки
Червячки

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.