Наноскоп и погода древнего мира: чего добились российские учёные в феврале

Зима подходит к концу, но за это время российские учёные успели разработать уникальный материал, который пригодится в медицине и фармацевтике, для производства кожи, духов и косметики и так далее, придумали «наноскоп», рассказали о погодных условиях в эпоху среднего палеолита, а также создали экологичную и гипоаллергенную упаковку из обычного крахмала. Об этих и других достижениях далее в статье.

💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.

Разработали силикон для производства духов, медикаментов и консервантов

💡 Простыми словами

Мембраны — это такие тонкие гибкие плёнки, напоминающие кожу, с помощью которых химики могут разделять жидкости и газы, чтобы получать нужные вещества без примесей, очищать воздух и выделять альдегиды. Последние являются органическими соединениями, которые широко используют в медицине и фармацевтике, пищевой промышленности, для производства духов и косметики. На данный момент один из ведущих способов получения мембран — это использование в качестве основы кремнийсодержащие соединения. Одним из таких соединений является силоксан, который и выбрали российские учёные. Разработанная ими мембрана показала отличные свойства, благодаря которым учёные смогут снизить потребление ресурсов при производстве альдегидов. Кроме того, новый материал требует меньше энергии для активации реакции, что также приводит к существенной экономии ресурсов.

👨‍🔬 Детально

Для создания мембраны учёные выбрали полидецилметилсилоксан (PDecMS) в качестве основы. Это силоксан (органический силикон), у которого имеются углеводородные «хвостики». К ним, учёные могут присоединять дополнительные химические группы, чтобы управлять свойствами вещества. Так, в структуру силоксана добавили гидроксильные группы (OH-группы) через реакции гидросилилирования (присоединение мономеров или полимеров, содержащих связь Si-Н, к непредельным соединениям). На выходе получилась мембрана толщиной около 250 микрометров, что примерно сопоставимо с толщиной двух человеческих волосков.

Толщина же рабочего слоя вместе с OH-группой равна 15 микрометрам (без добавления OH-группы рабочая зона была бы всего в 5 микрометров). Во время сравнения транспортных (быстрота прохождения через мембрану) и разделительных (чем больше разрыв между скоростями прохождения через мембрану разных веществ, тем лучше) свойств мембран с OH-группами и без оказалось, что наличие новых элементов в веществе положительно повлияло на его избирательные свойства. Так, концентрация альдегидов после прохождения через силоксановую мембрану по сравнению с ненужными соединениями увеличилась в восемь раз.

Создали рентгенооптическое устройство для микро- и нанофокусировки 

💡 Простыми словами

Объединённая группа российских учёных создала новое устройство, нацеленное на микро- и нанофокусировку рентгеновского пучка с возможностью коррекции астигматизма (вид погрешности изображения в оптических системах). Благодаря повышенной разрешающей способности данный «наноскоп» даёт учёным возможность получать снимки невероятно малых объектов. Данная разработка позволит существенно продвинуться в исследованиях во многих научных областях, таких как физика наносистем, прикладное материаловедение, химия, биология, а также медицина. Первыми эксплуататорами отечественного рентгенооптического устройства станут установки комплексов класса мегасайенс «СКИФ» и «СИЛА». Сибирский кольцевой источник фотонов имеет особую важность, так как с его помощью учёные смогут детально изучить структуру разных органических и неорганических веществ. Результаты этих исследований будут применимы в квантовой химии, генетике и других областях науки, работающих со сверхмалыми объектами.

👨‍🔬 Детально

Новое рентгенооптическое устройство работает на основе кремниевых планарных линз, а также отечественных наработок в методиках микро- и субмикронной фокусировки. Планарные параболические преломляющие линзы для фокусировки рентгеновского излучения — это такая линзовая система, которую собирают на пластинах монокристаллического кремния малых размеров (не более двух сантиметров). При этом на каждой пластине находится не менее десятка наборов составных преломляющих линз. Отечественный «наноскоп» использует сразу две таких пластины. Они расположены вдоль оптической оси и перпендикулярны друг другу, что даёт возможность фокусировать рентгеновское излучение как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Кроме того, конструкция устройства даёт учёным возможность работать с рентгеновскими лучами с разными длинами волн и на разных фокусных расстояниях.

Рассказали, какие погодные условия были в эпоху среднего палеолита

💡 Простыми словами

Ученые Санкт-Петербургского университета побывали на стоянке «Хаджох-2», которая находится в Республике Адыгея. Это уникальный археологический памятник под открытым небом, который образовался около 45-120 тысяч лет назад и сохранился до наших дней. Люди жили на этой территории волнами, приходя и уходя. Предположительно таких волн было четыре, две из которых были продолжительными и попадают в период формирования памятника «Хаджох-2». На территории стоянки были обнаружены орудия каменного века, кости животных и так далее.

Однако для петербургских учёных главным материалом для исследований стали образцы почвы. Ведь именно благодаря их анализу удалось определить, что в начале последней ледниковой эпохи на северо-западе Кавказа произошло резкое ухудшение биоклиматических условий, что стало одним из главных факторов в решении неандертальцев покинуть данную территорию. Подобные исследования важны потому, что, совмещая полученные климатические карты с существующими знаниями археологов и палеонтологов о жизни древних людей, учёные могут более детально восстановить их быт, вплоть до детального воссоздания картины жизни человечества в определённые периоды времени.

👨‍🔬 Детально

Исследование фрагментов почвы происходило путём морфологического анализа, что включает в себя послойное изучение состава, химических и физических свойств, а также палеомагнитной восприимчивости. Далее учёные провели споропыльцевой анализ. Заключающим этапом стало определение того, когда почва в последний раз видела солнечный свет. Для этого учёные подвергли минералы из её состава оптически стимулированной люминесценции (эту методику также называют оптическим датированием), при которой погрешность определения возраста при оптимальных условиях составляет около 5 %. Исходя из всех полученных данных удалось установить, что в изучаемом районе в начале последней ледниковой эпохи климат менялся резко и значительно. Климат из сухого (аридный) превратился во влажный (гумидный) и на отметке в 49 тысяч лет назад произошло резкое похолодание.

Создали экологичную и гипоаллергенную упаковку из обычного крахмала

Учёные из Нижнего Новгорода создали новый биополимер из крахмала и хитозана. Технология синтеза была сразу же запатентована, так как разработка обладает достаточно уникальными свойствами. К примеру, упаковка из этого биополимера будет напоминать мягкий пенопласт, только она полностью разлагается и обладает высокой гипоаллергенностью. В век нарастающей борьбы с экологическим загрязнением подобные биоматериалы ценятся очень высоко. Так, при переработке пластика всё равно остаются неперерабатываемые отходы в виде микропластика, постепенно убивающего природу на Земле.

Данный же биополимер под воздействием обычного плесневого гриба полностью разлагается менее чем за месяц. Кроме того, в зависимости от условий синтеза (модифицированный крахмал соединяют с растворённым в кислоте хитозаном при помощи сшивающего агента) можно получать биополимеры с другими свойствами. Например, сделав его нерастворимым в воде, можно получить сорбент для промышленной очистки воды от ионов металлов и неметаллов. Применив другие условия синтеза, можно получить впитывающие медицинские материалы или влагоудерживающие агенты для выращивания растений без почвы.

Синтезировали необычные молекулярные кристаллы с переключаемыми физическими свойствами

💡 Простыми словами

В современном мире учёные стремятся создавать такие материалы, чтобы их свойства можно было контролировать не только на стадии проектирования, но и в готовом продукте. К примеру, краска для автомобилей, которая может менять цвет в зависимости от освещения, температуры или по нажатию кнопки (изменяется, допустим, электрическое поле). Одним из передовых направлений в данных исследованиях является разработка высокотехнологичных материалов на основе металлоорганических соединений для применения в молекулярных устройствах, таких как системы сверхплотного хранения информации, молекулярные сенсоры или даже квантовые компьютеры. Как раз для этих целей объединённая группа российских учёных синтезировала новое устойчивое на воздухе соединение кобальта, магнитными свойствами которого можно управлять при помощи изменения температуры.

👨‍🔬 Детально

Для создания подобного материала учёные поместили молекулу с длинным углеродным каркасом внутрь кобальтовых молекул. При исследовании свойств нового вещества оказалось, что под действием температуры молекулярная структура соединения меняется, но кристалличность сохраняется. Кроме того, материал обладает свойствами моноионных магнитов, которыми также можно управлять, изменяя окружение иона кобальта. Благодаря возможности такой тонкой настройки физических свойств материал потенциально можно использовать в создании принципиально новых устройств хранения информации.