Ученые создают новые инструменты для изучения наноматериалов
Новые методы микроскопии, рентгеновской съемки, акустики, роботизации и ИИ помогут точнее изучать наноматериалы. Это важно для электроники, медицины, энергетики, водоочистки и будущих инженерных проектов.
Источник: Новости науки.
МОСКВА, 24 июня. /Новости науки/. Ученые разрабатывают более точные инструменты для изучения наноматериалов — одних из самых маленьких и сложных материалов, которые человек уже научился создавать. Обзор новых подходов опубликовал доцент Ханьсюнь Цзинь в журнале Nature Materials.
Наноматериалы используют в электронике, накопителях энергии, медицине, водоочистке, авиации и космической технике. К ним относятся, например, квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы, которые применяют в экранах телевизоров. Они настолько малы, что их относят к нульмерным объектам.
Главная трудность в том, что такие материалы сложно не только создавать, но и проверять. Некоторые наноматериалы могут быть прочнее стали на растяжение, но при этом оставаться хрупкими и легко разрушаться. Поэтому ученым нужны приборы, которые покажут, где именно материал деформируется, трескается или теряет прочность.
«Наноматериалы похожи на людей. У всех есть дефекты. Это делает их интереснее», — сказал Цзинь.
В статье он описал прогресс сразу в нескольких направлениях. Среди них — электронная микроскопия, рентгеновская визуализация и акустические методы. Новые детекторы, которые считают отдельные фотоны, позволяют получать более четкие рентгеновские изображения почти без фонового шума. А синхротроны третьего поколения, работающие примерно в 60 лабораториях мира, создают очень яркое рентгеновское излучение. Оно превращает установку в сверхмикроскоп для изучения мельчайших структур.
Отдельную роль играет искусственный интеллект. Он помогает быстрее собирать данные, находить закономерности и строить модели поведения материалов. Автоматизация экспериментов, роботизированные установки и компьютерное моделирование позволяют проводить больше испытаний за меньшее время.
По словам Цзиня, такие методы открывают дорогу к новым видам наноструктур. В будущем они могут стать основой для сверхлегких и прочных инженерных систем. Ученый даже привел пример космического лифта — пока это скорее дальняя цель, но она показывает масштаб возможных применений.
В лаборатории NanoBioMech Lab команда Цзиня создает инструменты для проектирования биологических материалов на наноуровне. Эти работы могут пригодиться для персонализированной медицины, биопечати тканей и, в более далекой перспективе, органов для трансплантации.
Исследователи изучают, например, коллаген — белок, который входит в состав кожи. С помощью сканирующей электронной микроскопии и специального программного обеспечения они создают трехмерные модели сетей из коллагеновых нановолокон. Такие структуры напоминают стальную вату. Модели показывают, как волокна растягиваются, сдвигаются и разрываются под нагрузкой.
«Цель — создать архитектуру материала, которая не ломается или ломается тогда, когда нам это нужно», — сказал Цзинь.
Наноматериалы используют в электронике, накопителях энергии, медицине, водоочистке, авиации и космической технике. К ним относятся, например, квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы, которые применяют в экранах телевизоров. Они настолько малы, что их относят к нульмерным объектам.
Главная трудность в том, что такие материалы сложно не только создавать, но и проверять. Некоторые наноматериалы могут быть прочнее стали на растяжение, но при этом оставаться хрупкими и легко разрушаться. Поэтому ученым нужны приборы, которые покажут, где именно материал деформируется, трескается или теряет прочность.
«Наноматериалы похожи на людей. У всех есть дефекты. Это делает их интереснее», — сказал Цзинь.
В статье он описал прогресс сразу в нескольких направлениях. Среди них — электронная микроскопия, рентгеновская визуализация и акустические методы. Новые детекторы, которые считают отдельные фотоны, позволяют получать более четкие рентгеновские изображения почти без фонового шума. А синхротроны третьего поколения, работающие примерно в 60 лабораториях мира, создают очень яркое рентгеновское излучение. Оно превращает установку в сверхмикроскоп для изучения мельчайших структур.
Отдельную роль играет искусственный интеллект. Он помогает быстрее собирать данные, находить закономерности и строить модели поведения материалов. Автоматизация экспериментов, роботизированные установки и компьютерное моделирование позволяют проводить больше испытаний за меньшее время.
По словам Цзиня, такие методы открывают дорогу к новым видам наноструктур. В будущем они могут стать основой для сверхлегких и прочных инженерных систем. Ученый даже привел пример космического лифта — пока это скорее дальняя цель, но она показывает масштаб возможных применений.
В лаборатории NanoBioMech Lab команда Цзиня создает инструменты для проектирования биологических материалов на наноуровне. Эти работы могут пригодиться для персонализированной медицины, биопечати тканей и, в более далекой перспективе, органов для трансплантации.
Исследователи изучают, например, коллаген — белок, который входит в состав кожи. С помощью сканирующей электронной микроскопии и специального программного обеспечения они создают трехмерные модели сетей из коллагеновых нановолокон. Такие структуры напоминают стальную вату. Модели показывают, как волокна растягиваются, сдвигаются и разрываются под нагрузкой.
«Цель — создать архитектуру материала, которая не ломается или ломается тогда, когда нам это нужно», — сказал Цзинь.
