12 главных научных открытий в 2022 году в области химии и физики

Нобелевские премии по физике и химии

Квантовая запутанность — это когда две или более частиц обретают связь между собой на любом известном нам расстоянии. При этом изменения, касающиеся одной частицы, мгновенно влияют и на другие связанные с ней частицы — быстрее скорости света. При этом отсутствует и передача данных между частицами, и теория относительности не нарушается.

Долгое время считалось, что квантовая теория, возможно, содержит скрытые переменные, влияющие на ход экспериментов. Однако доказать обратное (верность квантовой запутанности) удалось трем выдающимся специалистам: Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру. Впервые это получилось у них около полувека назад, а после подобные эксперименты смогли провести и другие исследователи. За свой вклад в науку трое физиков и стали лауреатами Нобелевской премии.

Почему это важно: квантовая теория открыла двери к созданию квантовых технологий: компьютеров, передачи информации и т. п. Первые способны решать задачи за считанные часы, когда даже суперкомпьютерам для этого требуются миллиарды лет. А квантовая передача данных может похвастаться 100% защитой от хакерских атак и прослушки.

Клик-химия — это химические реакции, позволяющие всегда и в любых условиях с высокой эффективностью получать необходимые молекулы. Соединять ранее не соединяемые вещества.

Нобелевскую премию по химии также получили трое ученых: Каролин Бертоцци, Мортен Мельдаль и Барри Шарплесс. Они внесли большой вклад в развитие клик-химии и биоортогональной химии.

Почему это важно: клик-химия подарила возможность создавать сверхпрочные материалы или, например, крайне эффективные лекарства.

Спасибо БАКу — найдены экзотические X-частицы

История Вселенной началась с Большого взрыва. Он высвободил кварки и глюоны, после образовавшие более известные частицы — протоны и нейтроны. Однако были еще и загадочные X-частицы, изучить которые долгое время не представлялось возможным из-за их нестабильности и слишком малого цикла жизни. С появлением Большого адронного коллайдера и нейросетей ученым все же удалось воссоздать X-элементы, существовавшие в первые секунды жизни Вселенной.

Доказать существование X-частиц смогли специалисты из Массачусетского технологического института. Для этого ученые использовали машинное обучение, проанализировав более чем 13 млрд столкновений тяжелых ионов. Как итог: было обнаружено примерно 100 частиц X (3872), представляющих собой тетракварк (4 кварка). Стандартные протоны и нейтроны включают в себя только 3 кварка. Недавно были обнаружены и пентакварки (5 кварков).

Почему это важно: без прошлого нет будущего. Понимание Вселенной, законов по которым она существует, позволяет лучше изучить наш мир и понять его. Например, доказать его реальность или наоборот — симуляционную сущность.

Горячее Солнца — токамак разогрели до 100 млн °C

Это в 7 раз выше температуры Солнца. Достичь столь грандиозного результата удалось исследователям из Сеульского национального университета и Корейского института. Установка KSTAR была построена еще 15 лет назад, но только недавно ее удалось разогреть до 100 000 000 , что в семь раз превышает температуру звезды (примерно 15 млн °C). Правда, время жизни разогретой до экстремальных температур плазмы составило всего 30 секунд. Следующий этап, как говорят ученые, 300-секундное удержание плазмы.

Почему это важно: в отличие от традиционных способов получения энергии (возобновляемая, ТЭС, АЭС, ГЭС), ядерная установка токамак намного экологичнее и производительнее. Один такой реактор способен запитать как крупные города, так и небольшие страны.

Впервые перестроены атомные связи в одной молекуле

Специалистам испанского Университета Сантьяго-де-Компостела, немецкого Университета Регенсбурга в Германии и IBM Research Europe удалось несколько раз преобразовать одну молекулу при помощи разрядов тока. Эксперимент проводился на материале, именуемом 5,6,11,12-тетрахлортетрацен (C18H8Cl4). Тонкий слой вещества на медной подложке, покрытой солью, подвергся атаке «хлорных пчел» — атомы хлора, окружающие молекулу C18H8Cl4. В результате остались возбужденные атомы углерода, неспаренные электроны которых затем самостоятельно воссоединились, тем самым поменяв конфигурацию и форму молекулы.

Обычно подобная структура нежизнеспособна, но экспериментальная система и не являлась обычной. Микроскопическими разрядами напряжения ученые смогли образовывать необычные пары электронов, придавая им любую структуру и форму, перестраивая атомные связи.

Почему это важно: с помощью таких экспериментов инженеры могут проектировать молекулярные машины, служащие для создания новых материалов с невиданными ранее характеристиками.

Улучшая экологию: строительные кирпичи из отходов

Специалисты из Университета Флиндерса и их коллеги из лаборатории Flinders Chalker разработали новый способ переработки бытовых отходов. Ученые решили создать из мусора строительные материалы, блоки, не требующие цементного раствора для их скрепления. Достаточно положить кирпичики друг на друга и обработать аминным раствором. Возникающая вследствие химическая реакция скрепляет блоки.

Изготавливаются кирпичи из различных продуктов нефтепереработки: серы, дициклопентадиена (побочный продукт производства различного пластика) и использованного пищевого масла. Единственное, пока ничего не известно об их прочностных характеристиках.

Почему это важно: разработка не только уменьшает количество вредных отходов, но и при массовом производстве поможет снизить выбросы углекислого газа в атмосферу на 15% в год.

Гибкая память

Инженерам из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН удалось создать гибкую память для микроэлектроники на основе графеновых соединений. Их разработка умеет не только передавать данные, но и устанавливать приоритет информации, проводить ток и подсчитывать количество пропущенного заряда.

Что интересно, работать гибкая память может и без электричества — в автономном режиме. Достичь успеха получилось благодаря облучению ионами ксенона фторированного графена, с удалением фтора и последующим созданием квантовых точек в изоляторе.

Почему это важно: гибкая память отлично подойдет для создания носимых датчиков, следящих за температурой тела, пульса, количеством кислорода в крови, артериальным давлением. Сгодится и для изготовления умных этикеток для одежды.

Установлен рекорд дальности лазерной связи

Беспроводная передача данных — это не только соединение посредством радиоволн, оптического или инфракрасного излучения. Существует еще и лазерная связь, рекордную дальность которой в 2022 году осуществили ученые из Университета Западной Австралии. Они смогли установить стабильное (в 100 раз выше предыдущих попыток) соединение на расстоянии 2,4 км. Это было непросто: исследователи отмечают, что на лазерный сигнал сильно влияют погодные условия.

Почему это важно: лазерный сигнал открывает новые возможности передачи данных на большие расстояния. В будущем, при достижении больших дальностей, это позволит эффективно обмениваться информацией с орбитальными спутниками и кораблями, осуществлять надежную связь наземных станций.

Кстати, стабильные лазеры позволят проверить теорию Эйнштейна, согласно которой атомные часы в космосе идут немного быстрее атомных часов на Земле.

Легче пластика, прочнее стали

Краткое описание полимера, разработанного инженерами Массачусетского технологического института. Новый ультратонкий материал 2DPA-1 по весу легче пластика, предел текучести в 2 раза выше стали, а деформировать его в 6 раз сложнее пуленепробиваемого стекла. Он полностью непроницаем для газов и жидкостей.

Формируется сверхпрочный материал из меламина в специальном растворе при особых условиях, чтобы молекулы вырастали в стороны, образуя 2D-диски. Затем несколько дисков накладываются друг на друга, образуя конечный продукт.

Почему это важно: разработка получит широкое применение в строительстве, авиа- и автомобилестроении и электронике, сделав закаленные стекла в смартфонах еще крепче.

Новый минерал для сверхъемких аккумуляторов

Группа исследователей из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета в месторождении оловянных руд Кестер Верхоянского края Якутии нашла новый минерал. «Сергейсмирновит» — свое название он получил в честь советского геолога-минералога Смирнова Сергея Сергеевича (1895−1947 гг.), сообщает пресс-служба СПбГУ.

Как рассказал гендиректор КНЦ РАН Сергей Кривовичев, это уже четвертый найденный минерал в данном месторождении. В 50-х года прошлого века там же был обнаружен «кестерит», без которого сегодня не обходится ни одна солнечная панель.

Почему это важно: «сергейсмирновит» обладает высокой протонной проводимостью, что позволит использовать его для создания сверхъемких АКБ различного форм-фактора.

Искусственный фотосинтез для получения энергии

Сотни миллионов лет природного фотосинтеза подарили человечеству огромные залежи ископаемого топлива, используемого для получения энергии. Однако запасы горючих веществ не безграничны и негативно влияют на климат Земли, провоцируя глобальное потепление. Как быть?

Возобновляемые источники энергии — это хорошо, а еще лучше освоить процесс фотосинтеза. Последним и занялись химики из Чикагского университета, создав искусственный фотосинтез. В отличие от природного процесса, в ходе которого из углекислого газа и воды получается кислород и водород, искусственный аналог может производить метан, этан и прочие виды топлива.

Почему это важно: искусственный фотосинтез поможет избежать дефицита топлива, очистить планету от углекислого газа, а еще окажется полезным в фармацевтике.

Достигнута рекордная температура заморозки молекул

Рекордно низкой температуры заморозки вещества удалось достичь физикам из Базельского университета. Они охладили крошечную медную цепь на кремниевом чипе до температуры 220 микрокельвинов — значение, близкое к абсолютному нулю (-273°C). Достичь успеха им помог криостат (устройство для поддержания низких температур) и магнитное поле (с его помощью выравнивались атомы меди для лучшего охлаждения). Подобная заморозка позволяет одним веществам переходить в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние, а другим проявлять квантовые свойства, используемые в вычислениях.

Почему это важно: технология позволит охлаждать квантовые компьютеры и простые полупроводники, используемые в электронике.

Инновационная технология переработки пластика от российских ученых

То, что наша планета утопает в пластике, а микропластиком заражена даже наша кровь, давно не секрет. Первый порождает второй, который в свою очередь провоцирует онкологические заболевания. Бороться с засильем пластика, отравляющего и Землю, и наши тела, нужно немедленно, пока не поздно.

Команда молодых российских химиков из ВятГУ решили предоставить свое решение проблемы, предложив уникальную технологию. Согласно ей, использованные пластиковые бутылки выступают в качестве сырья для изготовления тепло- и звукоизоляционных материалов.

Почему это важно: во-первых, это предотвращение экологической угрозы и улучшение условий жизни всех живых существ. Во-вторых, это поможет еще и заместить часть импортных компонентов, используемых отечественной химической промышленностью.