Всю карьеру я был заинтригован тем, как ведут себя материалы, когда их размер сокращается до наноуровня — всего нескольких нанометров. При этом привычные законы физики начинают ломаться. Особенно интересно это в теплопроводности, где тепло переносится "фононами" — колебаниями атомов. Фононы очень чувствительны к ограниченному пространству.

Пару лет назад моделирование показало странную штуку: в ультратонких пленках кремния (толщиной 1–2 нанометра, как несколько слоев атомов) теплопроводность достигает минимума, а затем снова растет при еще меньшей толщине. Это противоречило традиционным теориям, которые предсказывали, что тепло будет ухудшаться по мере истончения пленки из-за меньшего места для движений фононов.

В своей новой статье в журнале Applied Physics я исследовал это с другой стороны. Вместо обычных моделей я посмотрел на ограничение с точки зрения геометрии. В обычных материалах фононы занимают шар в "обратном пространстве" (сфера Дебая). В тонкой пленке длинноволновые фононы исчезают, создавая "дыры" в этом шаре, как пустые зоны.

По мере истончения пленки эти дыры растут, искажая шар и смещая колебания к низким частотам. Это меняет "плотность состояний" — количество возможных колебаний. Теперь доминируют низкочастотные моды, которые хорошо переносят тепло. Моя модель точно совпала с данными моделирования без подгонки параметров.

Этот случай показывает, что в наноразмерных материалах нужно переосмысливать основы: простые геометрические ограничения могут объяснить странное поведение, а не только экзотика.

Последствия шире: похожие эффекты могут быть в проводниках, устройствах и даже двухмерных материалах. Это важно для электроники, где размер всё меньше, и для квантовых технологий, где тепло может нарушить работу. Я уже думаю о расширениях: от новых материалов до применения в суперведения и квантовых устройствах. Каждый сюрприз открывает двери к новой физике и технологиям.

(Автор — Антонио Закконе, профессор в Миланском университете. Ранее преподавал в Мюнхенском ТУ и Кембридже. Награды: серебряная медаль ETH, премия Геттингенской академии, стипендия Королевского колледжа, грант ERC. Работал над аналитикой переходов, упаковкой частиц и термоактивируемыми реакциями.)

Исследование провели в Центре нейробиологических исследований изображений (CNIR) при Институте фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Университетом Сунгкюнкван (SKKU). Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Биологические ткани, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, подвижные и изогнутые. Существующие биоэлектронные устройства часто кажутся чужеродными, вызывая воспаление, плохую адгезию и нестабильные сигналы. Даже ультратонкие из них требуют клеев, подложек или опор.

Команда задалась вопросом: что, если устройство становится мягким и самоклеящимся только при контакте с тканью? Это привело к THIN — наномембране без подложки, которая самоклеится к влажной ткани без швов или давления. Она адаптируется к микроскопически изогнутым поверхностям, поддерживая длительный контакт.

THIN состоит из двух слоев: гидрогеля (альгинат, конъюгированный с катехолом, Alg-CA) для адгезии и полупроводникового эластомера P(g2T2-Se) для проводимости. При увлажнении жесткость уменьшается в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁶ ГПа⋅м²), позволяя обхватывать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм — она становится механически незаметной.

Полимер P(g2T2-Se) показывает рекордное произведение подвижности на емкость (μC*) — 1034 Ф⋅см⁻¹⋅В⁻¹⋅с⁻¹, в 3,7 раза выше, чем у обычных материалов. Это обеспечивает высокую ионно-электронную связь для органических электрохимических транзисторов (OECT), усиливающих биосигналы даже при растяжении.

В экспериментах на грызунах THIN мгновенно прикреплялось к сердцу, мышцам и коре мозга, регистрируя электрокардиограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырех недель без воспалений.

"Наша платформа THIN-OECT — как нанокожа: невидимая для тела, механически неощутимая и электрически мощная, — сказал профессор Дж. Сон Донхи. — Это открывает перспективы для интерфейсов мозг-машина, мониторинга сердца и нейропротезирования".

В отличие от систем на эластомерных подложках, THIN автономен, работает на наноуровне и исключает неопределенности сигналов. Она усиливает сигналы прямо на месте контакта, устраняя нужду во внешних усилителях, и подходит для импантируемых, носимых или инъекционных устройств.

Будущие разработки включают многоканальные матрицы THIN с беспроводной связью для замкнутых интерфейсов мозг-машина, реабилитационной робототехники и биорезорбируемых версий для минимально инвазивного применения.

Основным достижением стало увеличение емкости углеродных наностен путем обработки оптимальной дозой высокоэнергетических ионов аргона. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

В отличие от традиционных накопителей энергии, таких как литий-ионные батареи, суперконденсаторы способны накапливать или отдавать энергию почти мгновенно, что делает их идеальными для резких всплесков мощности — например, при старте автомобиля, подъеме тяжестей или перепадах напряжения в электросети. Когда избыточная энергия выделяется (как при торможении электропоезда), суперконденсатор может ее захватить для повторного использования.

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы функционируют в более широком диапазоне температур, менее подвержены деградации, представляют меньший риск возгорания и проще поддаются переработке. Комбинация двух технологий продлевает срок службы и ускоряет зарядку литиевых батарей.

«Чем больше энергии смогут хранить суперконденсаторы, тем шире область их применения. Мы исследуем методы улучшения их свойств путем различных видов обработки углеродного материала электрода», — отмечает руководитель исследования, доцент кафедры материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

«Ранее в этом году мы продемонстрировали, что емкость можно увеличить за счет внедрения атомов других элементов в углеродные наностены. Сейчас мы получили более значимый прирост, обработав углеродный материал ионами аргона на ускорителе. Мы выявили оптимальную дозу ионов для максимального формирования полезных дефектов без чрезмерного повреждения вещества».

Углеродные наностены можно визуализировать как вертикально ориентированные стопки из примерно 10–15 слоев графена.

Благодаря своей структуре углеродные наностены обладают большой удельной поверхностью, что обеспечивает высокую емкость источников энергии. Для дальнейшего улучшения свойств наностены обрабатывались имплантацией ионов аргона, вызывавшей появление дополнительной дефектов в материале.

Эти дефекты и их взаимодействие с функциональными группами при окислении на воздухе привели к улучшению электрохимических характеристик углеродных наностен.

Соавтор исследования Никита Орехов, заместитель руководителя лаборатории вычислительного проектирования материалов МФТИ, подчеркнул: «Атомистическое моделирование на суперкомпьютере помогло нам обнаружить специфические структурные изменения в углеродных наностенах после воздействия разными дозами ионного облучения.

"Как выяснилось, при оптимальных дозах около 1014 ионов на квадратный сантиметр в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Поскольку молекулы электролита имеют нанометровые масштабы, они способны проникать в эти пустоты. Таким образом, материал отличается не только большой удельной поверхностью, но и наноструктурой, дополнительно повышающей емкость".

По словам участников исследования, ионная имплантация — это отлаженная технология, широко используемая в микроэлектронике для активации кремния. Теперь она может способствовать разработке современных энергоносителей. Ионная обработка эффективна даже для углеродных материалов с изначально высоким качеством.

Стоит отметить, что такая методика позволяет улучшать углеродный материал в объеме, а не только на поверхности, благодаря высокой проникающей способности ионов.

«По сравнению с гетероатомами, которые мы раньше внедряли в углеродные наностены, дефекты создавать проще, поэтому вместо тонкого активированного слоя такой "активированный уголь" можно производить практически в промышленных объемах», — добавил Евлашин.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-025-03770-6

В условиях экстремальной изоляции, таких как космические миссии, подводные экспедиции или герметичные убежища, поддержание пригодного для дыхания воздуха является критической задачей. Ключевым элементом здесь выступают системы контроля уровня углекислого газа (CO2), которые не только поглощают этот газ, но и позволяют его безопасное выделение. Традиционные технологии, основанные на адсорбентах вроде цеолитов или активированного угля, требуют значительных энергетических затрат: для регенерации материалов необходимо нагревание до температур 100–200°C, что увеличивает потребление энергии и снижает эффективность в условиях ограниченных ресурсов. Это побуждает инженеров и ученых искать инновационные решения, способные работать при более низких температурах и с минимальным энергопотреблением.

Исследователи из Университета Гуанси (Китай) под руководством Вэй Лу и Римей Чен разработали революционную систему на основе реконфигурируемых микро- и нанороботов, способных обратимо улавливать CO2 при температурах, значительно ниже стандартных. Их работа, опубликованная в престижном журнале Nano-Micro Letters, демонстрирует потенциал для применения в системах жизнеобеспечения замкнутых пространств, таких как космические корабли, подводные лодки и аварийные убежища. В экспериментах с мышами роботы увеличили время выживания в герметичных контейнерах на 54,61%, что открывает путь к более устойчивым

Дизайн и компоненты роботов.

Эти миниатюрные роботы представляют собой гибридные конструкции, сочетающие наночастицы и молекулярные элементы, которые позволяют динамически изменять форму и функциональность в зависимости от внешних условий. Основные компоненты включают:

• Молекулярные охотники за CO2: Специализированные молекулы, химически связывающиеся с CO2, образуя стабильные соединения, такие как карбаминовая кислота и бикарбонат аммония. В состоянии "расширения" (когда робот не активирован) они способны поглощать до 6,19 ммоль/г CO2, что сравнимо с эффективностью лучших современных адсорбентов, но без необходимости высоких температур для активации.

• Термочувствительный молекулярный переключатель: Основано на полимере Pluronic F127, который при нагреве сворачивается, вызывая "скручивание" молекулярных цепей. Это изменяет конфигурацию робота на наноуровне, способствуя десорбции CO2. Переключатель реагирует на температуру, позволяя контролируемое выделение газа при относительно низких значениях — всего 55°C, что на 45–145°C ниже, чем в традиционных системах. Это достигается благодаря фототермическому преобразованию, где солнечный свет или другой источник энергии преобразуется в тепло локально, без перегрева всей системы.

• Солнечный фототермический преобразователь: Интегрированный элемент, который поглощает солнечное излучение и преобразует его в тепло для активации переключателя. Это делает систему частично автономной, снижая зависимость от внешних источников энергии и повышая энергоэффективность.

• Двигатель с магнитным приводом: Позволяет роботу перемещаться и реконфигурироваться под действием внешних магнитных полей. Это обеспечивает бесконтактное управление, предотвращая локальный перегрев и позволяя оптимизировать распределение роботов в пространстве. Магнитный привод также способствует электростатическим изменениям, которые усиливают избирательность улавливания CO2, снижая вероятность побочных реакций, таких как образование трудноразлагаемой мочевины.

Механизм работы основан на взаимосвязи хиральности (асимметрии молекулярных структур) и электростатических свойств. При реконфигурации робот изменяет микроокружение аминогрупп, увеличивая их поверхностный электростатический потенциал и снижая энергию на самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO). Это ослабляет нуклеофильные взаимодействия, подавляя побочные реакции и обеспечивая чистую десорбцию CO2. Авторы отмечают, что такое сочетание создает "инновационную парадигму" для микро- и наноразмерных устройств, интегрируя экспериментальные и теоретические подходы.

Экспериментальные результаты и тестирование.

Команда протестировала роботов в контролируемых условиях, помещая их в герметичный контейнер с мышами. В отсутствие роботов уровень CO2 быстро поднимался, приводя к удушью, но с роботами время выживания увеличилось на более чем половину. Это не только подтверждает эффективность технологии, но и демонстрирует ее безопасность для биологических систем. Исследователи подчеркивают, что роботы могут быть адаптированы для различных сред: от космических кораблей, где вес и энергия ограничены, до подводных лодок, где важно минимизировать шум и вибрацию.

Потенциал и будущие перспективы.

Эта разработка имеет широкие применения. В космосе она может улучшить системы жизнеобеспечения для дальних миссий, таких как полеты на Марс, снижая энергозатраты на борту. На Земле роботы могут использоваться в экстремальных условиях, например, в шахтах или аварийных убежищах, где традиционные системы неэффективны. Кроме того, технология способствует "зеленым" инновациям, уменьшая зависимость от энергоемких процессов и способствуя устойчивому управлению выбросами CO2 в промышленности.

Авторы планируют дальнейшие исследования: тестирование в реальных космических симуляторах, оптимизацию масштабируемости и интеграцию с другими нанотехнологиями. Они также отмечают необходимость изучения долгосрочной стабильности роботов и их взаимодействия с другими газами в воздухе. В целом, эта работа подчеркивает роль междисциплинарного подхода — сочетания химии, материаловедения, инженерии и биологии — в решении глобальных вызовов, таких как освоение космоса и борьба с изменением климата. Исследование не только повышает шансы на выживание в экстремальных условиях, но и открывает новые горизонты для энергоэффективных технологий.

Источник: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01932-9

Литовские исследователи из Центра физических наук и технологий (FTMC), д-р Гедиминас Ниаура и д-р Мартинас Талейкис, совместно с зарубежными коллегами, впервые показали, что медь подходит для ультрафиолетовой спектроскопии комбинационного рассеяния света (UV-SERS). Этот высокочувствительный метод выявляет молекулярные колебания на поверхности, открывая путь к точному обнаружению низкомолекулярных биохимических соединений и ранней диагностике рака кожи.

Результаты опубликованы в журнале Advanced Optical Materials и выделены на обложке. Область малоизучена, и команда FTMC из отдела органической химии — среди пионеров.

Рамановская спектроскопия использует лазер для анализа молекулярных колебаний. Поверхностно-усиленная версия (SERS) усиливает сигнал наночастицами, но в медицине страдает от низкой воспроизводимости, стандартизации и селективности для малых биомаркеров рака.

Биологически важные молекулы (включая онкомаркеры) сильнее поглощают УФ-излучение, чем ткани. Это усиливает сигнал SERS, повышая точность. Цель — компактный диагностический инструмент для быстрого выявления маркеров даже во время операций.

Команда тестировала наночастицы металлов (висмут, медь и др.) на кремниевых платформах. Медь, вопреки ожиданиям (УФ не усиливает электромагнитное поле на ней), показала отличные результаты благодаря химическому усилению: молекулы "прилипают" к поверхности, меняя электронную структуру и резонируя с лазером.

Висмут не сработал, но медь стабильно усиливала сигнал для ароматических соединений вроде аденина (нуклеинового основания). Частицы оставались неизменными месяцами. На обложке журнала — иллюстрация: платформа с наночастицами меди под УФ-лазером и спектр аденина с уникальными пиками колебаний.

Цель — биосенсор для рака кожи: неинвазивный мазок с губки, перенос на образец с наночастицами, УФ-освещение и быстрый анализ. Сотрудничество с профессором Таутгирдасом Рузгасом из университета Мальме. Планы: композитные наночастицы меди с магнитными компонентами для лучшего контроля. Пока ищут другие металлы, но медь остается в фокусе.

Хотя до клиники далеко, метод эволюционирует к надежной, стабильной и экономичной технологии.

Ученые из Университета Джона Хопкинса (США) и Национального исследовательского совета Италии разработали инновационную платформу из нанопроволок, которая имитирует текстуру мозговой ткани. Это позволило впервые изучать астроциты — звездчатые клетки мозга, имеющие решающее значение для его здоровья, — в условиях, максимально приближенных к естественным.

Астроциты являются самыми многочисленными и загадочными клетками центральной нервной системы. Они играют ключевую роль в регулировании взаимодействия между нейронами, поддерживают гематоэнцефалический барьер (защитную оболочку мозга) и обладают высокой динамичностью. Однако в традиционных культурах на стеклянных подносах или чашках Петри астроциты теряют свою характерную звездчатую форму, что создает серьезные пробелы в понимании их функций. Это особенно важно для изучения нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсон, где сбои в работе астроцитов связаны с множеством заболеваний. По сути, астроциты формируют каркас мозга, и их морфология напрямую влияет на здоровье нервной ткани.

"К сожалению, мало что известно о потрясающем разнообразии морфологии астроцитов, и мы также мало знаем о молекулярном механизме, стоящем за этими изменениями формы", — отметил биоинженер Ишан Барман из Университета Джона Хопкинса, один из старших авторов исследования. "На стекле они не принимают таких форм, поэтому перед нами встал вопрос: как воспроизвести форму in vivo, но в лабораторных условиях?"

Чтобы решить эту проблему, команда разработала два ключевых метода. Во-первых, они создали нанопроволочные маты из стекла, которые имитируют текстуру мозговой ткани, оставаясь оптически прозрачными для микроскопии. При выращивании на этих матах астроциты не только сохраняют свою звездчатую форму, но и активно растут, разветвляются и созревают, как в живом мозге. "При выращивании на матах из нанопроволоки астроциты восстанавливают свою звездообразную морфологию, разветвляясь и созревая так же, как это происходит в мозге in vivo", — объяснила старший автор Аннализа Конвертино из Национального исследовательского совета Италии.

Во-вторых, исследователи объединили эту платформу с новой технологией 3D-визуализации, обеспечивающей высокое разрешение без использования флуоресцентных меток или инвазивного окрашивания. Это позволило запечатлеть динамику роста, ветвления и изменений формы астроцитов с беспрецедентной детализацией. "Возможность сочетать культивирование нанопроволок с визуализацией без меток с высоким разрешением имела решающее значение", — подчеркнула соавтор Анушка Гупта, аспирант в лаборатории Бармана. "Это, наконец, позволяет точно количественно оценить морфологию астроцитов".

Команда ожидает, что этот подход откроет новые горизонты для изучения мозга, включая развитие технологий "мозг на чипе" — от органоидов до нейроинженерных платформ следующего поколения. "Это серьезный шаг вперед по сравнению с моделями 'плоской культуры' и открывает путь для нового поколения моделей 'мозга на чипе'", — сказал Барман. "Мы считаем, что это может ознаменовать начало нового пути изучения нейродегенеративных заболеваний, воздействия лекарств и травм головного мозга". Метод также потенциально применим для изучения других типов клеток.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Science и обещает углубить наше понимание функций и дисфункций мозга. https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.20...