Во-первых, это красиво: 7 впечатляющих экспериментов из лабораторий ИТМО

Мир полон магии для всех, кто не знает физику. А мы знаем, что физические лаборатории завораживают посильнее волшебства из книжек. Только посмотрите, как младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семен Бачинин проводит эксперимент по изучению оптоэлектронного отклика кристалла оксида меди. Результаты работы тоже впечатляют!

Оксид меди, также известный как минерал тенорит, ― распространенный в природе полупроводник. Ученым ИТМО удалось создать на его основе искусственный оптический синапс. Выяснилось, что под воздействием лазерного излучения кристаллы тенорита демонстрируют поведение, схожее с работой биологических синапсов в головном мозге, — их реакция на излучение зависит от частоты лазерных импульсов, подобно тому, как синапсы реагируют на активные вещества-возбудители — нейромедиаторы. Технология может стать основой для нового типа процессоров, которые имитируют работу биологических нейронных сетей. С помощью метода в перспективе можно ускорить вычисления и обучение алгоритмов ИИ ― снизив при этом энергопотребление. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

А этот завораживающий светящийся сине-зеленый шар ― колба с продуктами синтеза перовскитных неорганических квантовых точек. Это нанокристаллы с размерами 5-10 нанометров и рекордно высокой квантовой эффективностью (до 95-98%). Проще говоря, это означает, что до 95% энергии, падающей на квантовые точки в УФ-диапазоне, переизлучается в видимом диапазоне с минимальными потерями. Такие квантовые точки ― не просто красиво. Синтезируя новые перовскитные наноматериалы заданного состава и заданной формы, ученые смогут создавать миниатюрные лазерные источники света. А это, в свою очередь, открывает огромные возможности для квантовых технологий, разработки и внедрения продвинутых биосенсоров и датчиков нового поколения, гибкой электроники и многого другого.

Активно работают в этом направлении ученые лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники (PeroLab) ИТМО. Например, совсем недавно вместе с коллегами из МФТИ они создали самый маленький в мире лазер, излучающий свет в синем диапазоне. Его объем в 13 раз меньше, чем у длины волны излучаемого света, что открывает путь к созданию сверхчетких дисплеев нового поколения и компактных устройств для биомедицины.

Яркие перспективы (в прямом смысле!) и у кристаллов органических флуорофоров (веществ которые поглощают и излучают свет) ― именно они изображены на фото. Эти кристаллы синтезировали сотрудники научно-образовательного центра (НОЦ) инфохимии ИТМО, чтобы использовать для спектральных исследований и создания новых материалов. Интересно, что снимок удалось сделать подручными средствами ― на телефон под УФ-освещением (с длиной волны 365 нанометров).

С органическими флуорофорами работают в научной группе «Химия органических МольБайтов». В команде ― аспирант Дмитрий Сбытов, а также два студента второго курса бакалавриата ИТМО ― Артемий Аверьянов и Кирилл Бороздин, которые пришли в лабораторию на практику и уже участвуют в реальных научных исследованиях. Руководит группой доцент научно-образовательного центра инфохимии Антон Муравьев. Команда разрабатывает новый тип химических сенсоров ― флуоресцентные датчики на основе органических соединений, которые смогут быстро и точно определять наличие токсичных металлов (например, свинца, кадмия или ртути) в воде или почве. Тяжёлые металлы попадают в окружающую среду из разных источников ― промышленных выбросов, сельскохозяйственных стоков и бытовых отходов. Оказываясь в воде или почве, они накапливаются и вызывают тяжелые, часто необратимые, последствия для экосистем и здоровья человека и животных ― в том числе способны поражать жизненно важные органы, вызывать тяжелые заболевания.

Предполагается, что сенсоры, над которыми работают в лаборатории ИТМО, словно «химические лампочки», будут загораться и предупреждать о присутствии опасных веществ. При этом, в отличие от существующих дорогих методов обнаружения, позволят проводить экспресс-анализ прямо на месте без сложного оборудования.

А это уже другие кристаллы ― кристаллы металл-органического каркаса со сложной формулой: [Cd₂(TCPB)(azopy)₀.₅(DMF)]. Он состоит из узлов-атомов кадмия (Cd), соединенных органическими молекулами TCPB и azopy ― «строительными блоками» кристаллической структуры. Растворитель (DMF) заполняет поры при создании материала.

Металл-органические каркасы (Metal-Organic Frameworks, MOF) — это особый класс гибридных материалов. Решетки MOF образованы ионами металлов, которые связаны между собой органическими лигандами (определенными атомами, ионами или молекулами) ― отсюда и составное название этих материалов. Для ученых MOF ― это фактически «платформа» для дизайна материалов с нуля. Подобно архитектору, специалист, работающий в этой области, может выбрать металл, спроектировать органическую «перекладину» нужной длины и функциональности, и получить материал со строго заданными свойствами для конкретной задачи. При этом таких задач, которые перспективно решать с помощью MOF, очень много. Например, эти материалы можно использовать при создании очень точных газоанализаторов ― чтобы вовремя обнаруживать утечку опасных газов в лаборатории или на производстве. Кроме того, большие перспективы связывают с их применением в оптических компонентах лазерных систем.

С MOF работают на Новом физтехе ИТМО ― эту фотографию сделали ученые в лаборатории как раз во время исследования двулучепреломления таких материалов (двулучепреломление ― это оптический эффект, при котором свет, проходя через прозрачный анизотропный кристалл, разделяется на два луча с разной поляризацией и скоростью распространения). Снимок получили с помощью светового микроскопа ZEISS при увеличении 25× ― это позволило наблюдать форму и «чистоту» кристаллов в видимом диапазоне.

Материалы с выраженным двулучепреломлением необходимы для создания ключевых элементов лазерных и фотонных систем: поляризаторов, модуляторов, оптических фильтров. Но у традиционных кристаллов есть ряд ограничений — узкий спектральный диапазон, сравнительно слабое двулучепреломление и внутренние дефекты. В своей работе ученые ИТМО предложили новый подход к созданию оптически анизотропных материалов (то есть таких, свойства которых зависят от направления воздействия) за счет целенаправленного изменения состава и структуры металл-органических каркасов. Такой подход позволяет тонко настраивать оптические свойства кристаллов и расширить возможности их применения в современной фотонике и лазерных технологиях.

Исследование проведено на Новом физтехе ИТМО научной группой Валентина Миличко. Авторы ― научные сотрудники физического факультета Святослав Поваров и Алёна Кулакова. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-73-01235) и федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030». 

Над методами, которые позволят создавать материалы с заданными свойствами, работают и физики, и химики. В научно-образовательном центре инфохимии ИТМО разработали еще один подход, который может помочь решать эти задачи. Ученые выяснили, как формируются градиентные структуры соединений кобальта при образовании осадков Лизеганга в агаровом геле ― результат эксперимента как раз на фото. В перспективе этот подход позволит быстро и дешево создавать новые материалы с заданными характеристиками. Их можно будет использовать в качестве подложек для клеток в электрохимических устройствах, термодатчиков и антимикробного покрытия. Подробнее об исследовании рассказываем в этой статье.

Свои нюансы есть и при работе со стеклом. Это довольно хрупкий материал и, к тому же, чувствительный к перепадам температур. Повысить функциональность обычного стекла можно с помощью дополнительного металлического слоя ― это позволяет создавать элементы электроники, а также маркировать и декорировать стеклянные изделия.

Но «улучшить» стекло не так-то просто. Ученые ИТМО решили проблему и разработали физико-математическую модель для прогнозирования параметров лазерного осаждения металлов на прозрачную подложку. Инструмент не только детально моделирует весь физический процесс, но и предсказывает с точностью до 90% его ключевые параметры. Это открывает возможности для контролируемого создания металлических покрытий микронного разрешения на стекле, например, нестираемых защитных меток и декоративных элементов. Результат работы исследователей ― как раз на фото выше! Подробнее о работе и ее результатах рассказываем в этой статье.

В научных лабораториях можно увидеть даже невидимое. И вот еще один потрясающий пример ― фото дифракции белого лазера на квазикристалле. Размер квазикристалла ― всего 120 микрометров (это примерно толщина человеческого волоса!) Излучение белого лазера (его называют суперконтинуум) проходит через эту структуру, далее происходит дифракция и в итоге мы и можем наблюдать изображение, которое удалось запечатлеть инженеру физического факультета ИТМО Ольге Кущенко.

Квазикристаллы — это удивительные материалы, которые в свое время сломали все классические правила кристаллографии. Раньше считалось, что в твердых телах возможен только периодический порядок. Но ученый Дэн Шехтман обнаружил в сплаве алюминия и марганца структуру с запрещенной для кристаллов симметрией (ось пятого порядка, как у пятиугольника). За это открытие он в 2011 году получил Нобелевскую премию. В будущем использование квазикристаллов может открыть новые возможности в создании лазеров и сенсоров.

Этой тематикой активно занимаются на Новом физтехе ИТМО. Например, исследователям уже удавалось впервые «поймать» свет в полимерном квазикристалле.