катализ углеродными материалами

Книга с защёлками на страницах: перелистнуть можно, только если знать, как щёлкнуть по краю. Примерно так устроен механический метаматериал, о котором пойдёт речь. Каждая ячейка в нём — это маленькая масса внутри большей, соединённая с ней упругой фермой. Ферма может находиться в двух устойчивых положениях, как выключатель.

Представьте дом с пробковыми стенами, который с наступлением морозов вдруг покрывается медными листами. Примерно так ведёт себя соединение FeSb₂, когда из него формируют плёнку толщиной всего в несколько атомных слоёв. В обычных условиях это узкозонный изолятор: электроны в нём локализованы, словно зрители в переполненном зале, не способные свободно перемещаться.

Некоторые кристаллы ведут себя как переключатель: чуть изменили температуру или давление — и они из проводника превращаются в изолятор. Это называется переходом металл-изолятор (изменением способности проводить ток).

Современные холодильники и кондиционеры на фреонах незаметно отравляют атмосферу. Альтернатива — твёрдотельные калорические материалы, охлаждающиеся при быстром изменении давления за счёт барокалорического эффекта.

Вязание крючком, где вместо ниток — отдельные молекулы, а вместо крючка — поверхность золота. До сих пор попытки связать из таких молекул ровное полотно заканчивались путаницей: нити цеплялись не там, где нужно, и узор сбивался. Группа учёных нашла способ решить эту проблему.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. Если сложить несколько таких листов с особым сдвигом, получится материал с необычными свойствами: он может быть магнитом или сверхпроводником в зависимости от того, как на него подействовать.

Водород — идеальное топливо: при использовании он даёт только воду, а не углекислый газ. Беда в том, что водород — самый лёгкий газ, его молекулы просачиваются из любых ёмкостей. Сейчас водород в машинах держат в тяжёлых баллонах под огромным давлением, что сводит на нет преимущества в весе. Исследователи обошли проблему без высокого давления.

Обычная вода в стакане прозрачна и спокойна. Но если в неё добавить крошечные углеродные точки, сделанные из сахара и лимонной кислоты в обычной микроволновке, вода начинает светиться, когда сквозь неё пролетает заряженная частица. Углеродные точки — это частицы углерода размером в несколько нанометров, меньше вируса.

Обычные солнечные батареи превращают свет в электричество, а здесь свет расщепляет воду на водород и кислород. Водород — чистое топливо, но процесс идёт медленно. Чтобы его ускорить, добавляют вещества-помощники, которые отдают электроны. Часто это спирт, но его жалко тратить.

Обычный графитовый анод в натриевой батарее похож на тесный гараж, куда с трудом влезает крупный грузовик. Натрий крупнее лития и плохо помещается между слоями графита, поэтому батареи быстро теряют ёмкость. Исследователи нашли выход: взяли лист графена и пришили к нему с одной стороны аминогруппы — молекулярные «крючки».

Внутри каждой микроскопической частицы, образующей катод натрий-ионного аккумулятора, натрий распределён неравномерно: словно сахар в чае, сбившийся в комки, его концентрация варьируется от участка к участку. Эта неоднородность — мера беспорядка в распределении ионов — напрямую снижает ёмкость и срок службы батареи.

Микросхемы внутри смартфонов и компьютеров становятся всё плотнее: миллиарды транзисторов упакованы на кусочке кремния размером с ноготь. При работе они выделяют тепло, как крошечные печки. Если тепло не отводить, чип перегревается, начинает сбоить или выходит из строя. Инженеры ищут материалы, которые можно нанести поверх схемы тонким слоем, чтобы отводить тепло, не мешая электрическим сигналам.

Чтобы выстроить спины частиц в одном направлении, физики обычно охлаждают вещество почти до абсолютного нуля и помещают его в сильное магнитное поле. Это дорого и громоздко. Новый способ напоминает настройку множества волчков лёгким прикосновением: молекулы-посредники временно связываются с целевыми атомами и передают им свою упорядоченность. Метод называется SABRE — усиление сигнала за счёт обратимого обмена.

Жаркий день, и крыша автомобиля раскаляется так, что не дотронуться. Обычно, чтобы охладить поверхность, нужен кондиционер или хотя бы тень. Но есть материалы, которые охлаждают сами себя, просто отражая солнечный свет и излучая тепло в космос. Проблема в том, что такие покрытия трудно наносить быстро и на неровные предметы. Новый метод, названный растворным выдуванием, решает эту задачу.

В ювелирной мастерской золото не смешивают с рутением: одно мягкое и блестящее, другой тугоплавкий и хрупкий. Но в нанометровых масштабах эти металлы сливаются в единый сплав, который при нагреве начинает разделяться, как масло и вода в остывающем бульоне. Именно такое поведение засняли исследователи, изучая частицы размером меньше сотой доли толщины волоса.

В химии есть два мира: в одном катализатор — твёрдая частица, на которой реакция идёт на поверхности; в другом — растворённая молекула, где всё происходит вокруг одного металлического центра. Эти миры редко встречаются. Но в новой работе они сошлись.

Лист графена опускают в раствор сульфата натрия — обычной соли, похожей на поваренную. У самой поверхности вода перестаёт быть однородной: она выстраивается слоями, как стопка блинов. Между этими слоями и внутри них распределяются ионы — заряженные частицы, на которые распалась соль.

Температура в комнате падает на несколько градусов, пока холодильник работает без единого движущегося компрессора. Внутри — не фреон, а кусок металла, который то намагничивают, то размагничивают. Это принцип магнитного охлаждения: при наложении магнитного поля материал нагревается, а при снятии — остывает.