Фонд развития Химической Физики

Подложка решает: новые материалы для терагерцевой спин-фотоники и магноники Можно ли управлять магнитной динамикой на терагерцевых частотах? Для этого нужны не только магнитные тонкие пленки, но и правильно подобранные подложки — материалы, на которых формируются гетероструктуры. 👩‍🔬 Ученые из МГУ и НИЦ «Курчатовский институт» исследовали 14 монокристаллических материалов разных структурных типов: корунда, граната, рутила, флюорита, перовскита, шпинели и каменной соли. Цель — понять, какие из них подходят для создания гетероструктур терагерцевой спин-фотоники и магноники. Магноника изучает распространение и детектирование спиновых волн в магнитных системах. Одно из активно развивающихся направлений — использование магнитооптических эффектов для возбуждения магнитной динамики вплоть до ТГц-диапазона. А это уже область между микроволновым и инфракрасным излучением, где проявляются коллективные колебательно-вращательные процессы, важные для физики, биомедицины, систем безопасности и новых информационных технологий. В работе применяли спектрофотометрию, спектроскопию комбинационного рассеяния и ТГц-спектроскопию. Исследователи определили, какие материалы прозрачны в оптическом диапазоне 400–1700 нм и в ТГц-диапазоне 0,3–2,5 ТГц. 🧪 Наиболее перспективными оказались: галлаты и алюминаты редкоземельных элементов со структурой граната, сапфир Al₂O₃, MgF₂, LAO, MgO и MgAl₂O₄. Эти монокристаллы являются изоляторами, диамагнетиками или парамагнетиками и при этом прозрачны в нужном терагерцевом диапазоне. А значит, их можно использовать как подложки для тонкопленочных гетероструктур, в которых будут исследовать и развивать новые подходы к управлению спиновыми волнами и сверхбыстрой магнитной динамикой. ➡️ Отдельный интерес представляет влияние состава на локальную структуру гранатов: увеличение содержания Al³⁺ в Gd₃Ga₅₋ₓAlₓO₁₂ и замещение Gd³⁺ на Nd³⁺ приводят к изменениям в КР-спектрах, включая синее смещение ряда активных мод до 14 см⁻¹. Такие работы формируют материаловедческую базу для будущих устройств терагерцевой спин-фотоники — области, где встречаются химия твердого тела, оптика, магнетизм и технологии сверхбыстрой обработки информации. 📖 Подробности работы в журнале «Химическая физика»

Как сделать ультразвуковую диагностику точнее? Ответ — в микропузырьках. 📖 Знакомим вас с работой Татьяны Естифеевой — аспиранта 4-го года лаборатории биофотоники Сколковского института науки и технологий, младшего научного сотрудника и обладательницы 2 места Конкурса научных работ Фонда «Развитие химической физики». Тема исследования Татьяны — химико-физические основы формирования, структуры и свойств белково-композитных микропузырьков для ультразвуковой диагностики. 🩺 Ультразвуковая визуализация — один из самых востребованных методов медицинской диагностики: она неинвазивна, не связана с ионизирующим излучением и относительно доступна. Но у метода есть ограничение — пространственное разрешение. Один из способов повысить информативность УЗИ — использовать контрастные агенты. ⛓ В своей работе Татьяна разрабатывает такие агенты на основе газонаполненных белково-композитных микропузырьков. Их оболочка формируется из комплексов альбумина с полимерами и полиаминами, а сами микропузырьки образуются под действием ультразвука. Ключевая идея исследования — научиться управлять составом оболочки микропузырьков, а значит, их размером, концентрацией, стабильностью и акустическим откликом. Это особенно важно для создания эффективных и воспроизводимых контрастных агентов для биомедицинской диагностики. 📈 В работе показано, что свойства микропузырьков можно регулировать через соотношение компонентов и характер взаимодействий в межфазной оболочке — прежде всего электростатических и гидрофобных. При этом оболочка формируется преимущественно из молекул альбумина с сохранённой α-спиральной структурой. 🔬 Для исследования использовался широкий набор методов: ИК- и КД-спектроскопия, флуоресцентная и конфокальная микроскопия, а также оптические и акустические методы анализа. ✔️ Результатом стала не только фундаментальная картина взаимосвязи «состав–структура–свойство» в системах альбумин–полимер, но и прототип контрастного агента для УЗИ. По результатам работы подана заявка на патент. 📖 Подробнее о работе 👏 Поздравляем Татьяну с заслуженным вторым местом и желаем дальнейших успехов в развитии технологий, которые соединяют химическую физику, биофотонику и медицину.

📆 18 июня — 103 года со дня рождения Виталия Иосифовича Гольданского. 🧪 Его имя связано с химией высоких энергий, радиационной химией, мёссбауэровской спектроскопией, квантовыми эффектами в химических реакциях и исследованиями процессов при низких температурах. 📃 В карточках вспоминаем, чем важны его работы — и почему его научная биография так хорошо показывает, как много открытий рождается на стыке физики и химии.

#азбука_химфизики Р — распределение Больцмана 🧬 Почему молекулы в газе или растворе ведут себя так, будто у каждой свой характер? Одна — «спокойная» и сидит в низкоэнергетическом состоянии, другая — уже готова перескочить через энергетический барьер, третья — вообще как будто выпила кофе и несётся быстрее остальных. Всё это хорошо описывает распределение Больцмана: 🔗 при тепловом равновесии частицы распределяются по энергетическим состояниям не поровну, а в зависимости от энергии этих состояний и температуры. Чем выше энергия состояния, тем меньше вероятность, что частица в нём окажется. Что это значит физически? Если состояние требует большой энергии, молекуле «дорого» там находиться. Поэтому таких молекул мало. Но температура меняет картину: чем она выше, тем больше частиц получает доступ к высокоэнергетическим состояниям. Именно поэтому при нагревании: ✅ растёт скорость химических реакций; ✅ больше молекул преодолевает энергетический барьер; ✅ меняется соотношение заселённости энергетических уровней; ✅ становятся заметнее процессы, которые при низкой температуре почти «заморожены». Для химической физики распределение Больцмана — это один из ключей к пониманию того, как микроскопический мир превращается в наблюдаемую химию. 📈 Например, реакция может быть термодинамически возможной, но идти очень медленно, если слишком мало молекул имеют энергию, достаточную для перехода через барьер. Распределение Больцмана как раз показывает, какая доля частиц находится в «энергетически удачном» состоянии. В химической физике мы часто не можем предсказать судьбу одной конкретной молекулы. Зато можем с удивительной точностью описать поведение огромного ансамбля частиц. 📌 Микромир хаотичен в деталях, но закономерен в статистике.

🧠 Магнитоэлектрические наночастицы для терапии мозга Учёные из ФИЦ ИЦиГ СО РАН, Томского политеха и коллеги создали наночастицы «ядро–оболочка», которые под действием переменного магнитного поля генерируют электрический сигнал и активируют нейроны. Подход может пригодиться для локальной стимуляции нервной ткани и доставки веществ из носа в мозг. 📖 Journal of Controlled Release 📊 Бор в опухоли научились измерять во время терапии Физики ИЯФ СО РАН реализовали гамма-спектрометрию на ускорительном источнике нейтронов VITA для бор-нейтронозахватной терапии. Метод позволяет неинвазивно и в реальном времени отслеживать концентрацию бора в опухоли — это важно для точного расчёта дозы. 📖 Applied Radiation and Isotopes 💧 Жидкие металлы оказались менее предсказуемыми для цифровых двойников Сотрудники ИМСС УрО РАН с коллегами обнаружили новый механизм потери устойчивости течений жидких металлов. Если в модели не учитывать изменение свойств металла по температуре, расчёты для МГД-систем могут ошибаться в десятки и сотни раз. 📖 Physics of Fluids 🔬 Сорбент из кремнезёма очистит стоки от меди Химики из Дагестанского ФИЦ РАН, ДГУ и коллеги разработали дешёвый серосодержащий сорбент на основе кремнезёма. Он удаляет до 99% меди за два часа и впитывает её в 14 раз больше, чем активированный уголь. 📖 Inorganic Chemistry Communications

👏 Запускаем цикл постов о работах победителей конкурса Фонда «Развитие химической физики» — и начинаем с проекта, который объединил лазеры, наноматериалы и биомедицину. 🥇 1 место в основной номинации: Анна Липовка, кандидат химических наук, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета. 📋 Тема работы: «Многофункциональные платформы на основе композитов наноматериал/полимер для биоэлектроники, имплантируемых систем и носимых биомедицинских устройств» ⚡️ Лазерная обработка материалов обычно ассоциируется с гравировкой или резкой. Но в работе Анны лазер становится инструментом для создания новых функциональных материалов для биомедицины. 💡 Идея выглядит элегантно: на полимерную подножку наносят наноматериал, например, графен, оксид графена, максены или металлические наночастицы, а затем обрабатывают систему лазером. Под действием излучения наноматериал не просто меняет свои свойства, но и «вплавляется» в полимер, формируя композитный слой. В результате получаются материалы, которые одновременно могут быть: ➡️ электропроводящими, ➡️ механически устойчивыми, ➡️ биосовместимыми, ➡️ подходящими для гибких и носимых устройств. Особенно важно, что электрическим сопротивлением таких композитов можно управлять в очень широком диапазоне — до 6 порядков. Это открывает возможности для создания сенсоров и биоэлектронных платформ с заданными характеристиками. 🩸На основе разработанных композитов уже созданы сенсоры дыхания, «сухие» биоэлектроды, а также носимые системы для мониторинга биопотенциалов, мышечной активности и пульса. 🩹 Такие устройства могут работать на полимерных и текстильных подложках, а сами сенсоры показали устойчивость к искусственному поту и стирке. Научная ценность работы — в универсальности подхода. Один и тот же принцип лазерной обработки можно адаптировать под разные наноматериалы и разные типы подложек, получая функциональные композиты для задач биоэлектроники, носимой диагностики и имплантируемых систем. 👩‍🔬 Анна Липовка стоит у истоков этой разработки: от восстановления оксида графена до создания полимерных композитов и новых электропроводящих структур. Ее исследования стали основой для дальнейшего развития платформ, которые могут лечь в основу следующего поколения биомедицинских сенсоров. 🎉 Поздравляем Анну с победой и желаем новых ярких результатов! 📖 Подробнее о работе

С — степени свободы 🧬 У молекулы есть свой «пространственный минимум»: она может двигаться целиком, вращаться и колебаться. Все независимые способы такого движения называют степенями свободы. 🔭 Для одной частицы в обычном трёхмерном пространстве всё просто: есть три поступательные степени свободы — движение вдоль осей x, y, z. Но у молекулы появляются и другие варианты: она может вращаться как целое и «дышать» внутренними связями — растягивать, сжимать, изгибать их. Если молекула состоит из N атомов, то всего у неё 3N степеней свободы: ведь каждый атом имеет три координаты. Из них: ✅ для нелинейной молекулы: 3 — поступательные, 3 — вращательные, 3N − 6 — колебательные. ✅ для линейной молекулы: 3 — поступательные, 2 — вращательные, 3N − 5 — колебательные. Почему у линейной молекулы только две вращательные степени свободы? Потому что вращение вокруг собственной оси почти не меняет положение ядер: для идеальной линейной молекулы это движение не даёт отдельного классического вклада. 🔬 В химической физике степени помогают понять, куда уходит энергия: в нагрев газа, вращение молекул, колебания связей, активацию реакции. Именно поэтому это понятие фигурирует в термодинамике, спектроскопии, кинетике и статистической физике. 👉 Например, у воды H₂O три атома, значит всего 9 степеней свободы. Молекула нелинейная: 3 поступательные, 3 вращательные и 3 колебательные. А у CO₂ тоже три атома, но молекула линейная: 3 поступательные, 2 вращательные и 4 колебательные. 💡 Так что степени свободы — это не абстрактная бухгалтерия координат, а способ описать, как молекула может хранить и перераспределять энергию.

Сегодня 130 лет со дня рождения Николая Николаевича Семёнова! Имя Семёнова — это фундамент, на котором до сих пор стоит современная химическая физика. Его работы по цепным реакциям, горению и тепловому взрыву изменили само понимание того, как протекают химические процессы. Семёнов показал, что за, казалось бы, хаотичными явлениями скрываются строгие закономерности. Именно такой взгляд на науку, глубокий и смелый, двигает исследования вперёд. Для нас это не просто юбилей выдающегося учёного, но и повод вспомнить, что большие открытия рождаются там, где есть любопытство, научная честность и готовность думать на шаг дальше. С благодарностью — к наследию Николая Николаевича Семёнова. И с уважением — к учёным, которые продолжают эту традицию сегодня.

#азбука_химфизики — С = Столкновение 💥 Кажется, что столкновение — это что-то про удар, резкое соприкосновение и хаос. Но в химической физике столкновения — это основа почти всего, что происходит с молекулами и атомами. 🔭 Именно при столкновениях частицы обмениваются энергией, меняют направление движения, возбуждаются, «успокаиваются» или вступают в реакцию. Проще говоря, без столкновений не было бы ни горения, ни образования новых веществ, ни многих процессов в атмосфере, плазме и живых системах. 📈 Но важно не только само столкновение, а то, каким оно было. Одни столкновения проходят почти незаметно: частицы просто разлетаются, слегка изменив траекторию. Другие приводят к передаче энергии. А некоторые запускают химическую реакцию — если энергии и взаимной ориентации молекул оказалось достаточно. 👨‍🔬 Поэтому для химфизика столкновение — это не случайный «контакт», а целое событие с множеством параметров: скорость, энергия, угол, ориентация, внутреннее состояние частиц. 🔍 Изучая столкновения, ученые понимают, как именно на микроскопическом уровне устроены процессы, которые мы потом видим как пламя, взрыв, свечение, реакцию или даже стабильность вещества. ✍️ Столкновение — это момент, когда в мире молекул что-то может измениться.

💡 Светоотражатель из ПТФЭ: как гамма-облучение улучшает отражение света 👨‍🔬 Ученые ФИЦ ХФ РАН совместно с коллегами из ОИЯИ, ФИЦ ПХФ и МХ РАН и НИЯУ МИФИ запатентовали способ изготовления светоотражателя на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) — материала, более известного многим как тефлон. 🔍 Разработка относится к области оптического приборостроения и может применяться в самых разных направлениях: от фотометрии и экспериментальной ядерной физики до систем очистки воздуха от биоаэрозолей. ⚙️ В чем суть технологии? Сначала из пластины блочного ПТФЭ формируют заготовку методом микрофрезерования, а затем подвергают ее гамма-облучению изотопом кобальта-60 на воздухе при температуре 55–65 °C. Ключевой параметр процесса — поглощенная доза излучения от 0,1 до 15 кГр. Почему это работает? Облучение вызывает на поверхности полимера радиационно-индуцированную кристаллизацию. В результате формируются новые структурные элементы — сферолиты, грани которых эффективнее рассеивают и отражают свет. Дополнительную роль играет и развитие микрошероховатости поверхности за счет радиационного окисления, что также повышает отражательные характеристики материала. ✔️ Итог — получение светоотражателя с высокой отражающей способностью в широком спектральном диапазоне: от 250 до 850 нм. ❕ Это важно, поскольку такой диапазон охватывает и ультрафиолетову, и видимую, и часть ближней инфракрасной области. При этом технология не только эффективна, но и сравнительно проста по реализации. ➡️ Исследователи показали, что именно диапазон доз 0,1–15 кГр является оптимальным: при больших дозах начинают накапливаться продукты радиолиза и деструкции ПТФЭ, что, наоборот, ухудшает оптические свойства материала. 👍 Такие разработки показывают, как тонкая настройка структуры полимера на микроуровне позволяет получать материалы с заданными функциональными свойствами — в данном случае с улучшенной способностью отражать свет для научных и прикладных задач. 📋 Подробности

🫡 Открываем новую рубрику #азбука_химфизики Это короткий и понятный гид по ключевым терминам, идеям и явлениям химической физики. Здесь будем шаг за шагом разбирать базовые понятия без лишней сложности, чтобы за формулами и научными терминами было видно, как устроены процессы в веществе и почему химическая физика помогает понимать мир глубже. 🧪 ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — это минимальный энергетический порог, который системе нужно преодолеть, чтобы реакция вообще пошла. Проще говоря: мало того, что реагентам «выгодно» превратиться в продукты, им еще нужно добраться до состояния, в котором старые связи уже начинают разрушаться, а новые — формироваться. ☝️ Именно поэтому далеко не каждая химическая реакция идет сама собой быстро. С точки зрения термодинамики продукт может быть выгоднее исходных веществ, но если между ними стоит высокий энергетический барьер, система может очень долго оставаться в исходном состоянии. Классический бытовой пример — горючие вещества. Бумага или бензин вполне способны окислиться кислородом воздуха, но без искры, нагрева или пламени процесс часто не стартует. Не потому, что реакция невозможна, а потому что ей нужно помочь преодолеть барьер. В химической физике энергия активации — это один из ключей к пониманию скорости процессов. 📈 Чем выше этот барьер, тем меньше частиц при данной температуре смогут его преодолеть, а значит, тем медленнее будет идти реакция. И наоборот: если барьер низкий, реакция может идти заметно быстрее. Именно поэтому нагрев так сильно влияет на кинетику — он увеличивает долю молекул, у которых хватает энергии на «удачную попытку». Но здесь особенно важно вот что: энергия активации — это не просто число из уравнения. За ней стоит вполне физический смысл. Когда молекулы сталкиваются, они не превращаются в продукты мгновенно. Сначала система должна пройти через очень неустойчивую конфигурацию, в которой прежнее состояние уже теряет устойчивость, а новое еще не оформилось до конца. Этот участок реакционного пути и связан с тем самым энергетическим подъемом. Именно поэтому катализаторы так важны: они не «добавляют энергии» реакции, а предлагают ей другой маршрут — с более низким барьером. В результате одна и та же химическая задача решается легче. Для химической физики это принципиальный сюжет: мы постоянно пытаемся понять, как устроен этот барьер, от чего он зависит, как меняется в поле, на поверхности, в растворе, в плазме, в наноструктуре или в биомолекулярной системе. ✍️ Если совсем коротко, энергия активации — это цена входа в химическое превращение. И очень многое в поведении вещества определяется именно тем, насколько эта цена высока. В следующий раз, когда будете смотреть, как одна реакция идет бурно, а другая как будто «не хочет начинаться», можно мысленно представить не каприз вещества, а вполне конкретный энергетический барьер, который частицы пытаются взять.