Mokslas atsidūrė ant medžiagų revoliucijos slenksčio – „The Irish Times“.


Įsivaizduokite pasaulį, kuriame pagal užsakymą būtų galima pasigaminti itin tvirtų, itin lengvų, lanksčių, ilgaamžių naujų medžiagų, kurių gamtoje nėra. Nauji „sukimosi“ supratimo proveržiai, būdingi subatominėms dalelėms, pavyzdžiui, masė ir krūvis, reiškia, kad esame ant tokios revoliucijos slenksčio.

„Gebėjimas valdyti sukimąsi, vieną iš pagrindinių dalelių savybių, yra labai svarbus, kad galėtume kurti pažangias naujas medžiagas, kurios pakeis pasaulį“, – sako profesorius Alessandro Lunghi, Dublino Trinity koledžo fizikas, vadovaujantis komandai. tiriant reiškinį.

Mokslinės dalelių masės ir krūvio sąvokos yra plačiai suprantamos ir žinomos, tačiau trečioji dalelių savybė – sukimasis – daugumai lieka paslaptinga. Tai sąvoka, kurią net daugelis mokslininkų stengiasi suprasti.

„Tai sudėtinga“, – sako Lunghi. „1900-ųjų pradžioje, kai sukinys buvo pirmą kartą atrastas, jis buvo vadinamas sukimu, nes matematinė lygtis, apibūdinanti šios dalelių savybės elgseną, buvo panaši į tą, kuri taip pat apibūdino klasikinį standųjį kūną, besisukantį arba besisukantį.

„Pirmą kartą žmonės galėjo išgirsti apie sukimąsi mokykloje, kai mokytojas paprašė įsivaizduoti elektroną, mažą elektros krūvio rutulį, besisukantį pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę“, – priduria jis.

„Mes žinome, kad šis tipiškas sukimosi aprašymas yra labai toli nuo tikrovės, kas yra sukimas“, – pažymi Lunghi. „Tai galima visiškai suprasti tik įsigilinus į kvantinės mechanikos smulkmenas, bet tai yra atskaitos taškas.

Dalelių sukimasis vyksta subatominiame pasaulyje, kur galioja keisti kvantinės fizikos dėsniai. Tai galimybių pasaulis, tačiau mažai tikrumo, kur kažkas gali būti du dalykai vienu metu arba net dviejose vietose vienu metu.

Skirtingos dalelės turi skirtingą sukimąsi, ir tai turi įtakos tam, ar jos susijungia į stiprius cheminius ryšius, ar atstumia viena kitą. Taip pat tiesa, kad sukimąsi gali lengvai sutrikdyti smulkūs judesiai aplinkoje; kažkas, kas buvo žinoma bent jau nuo 1940 m.

Šrodingerio lygtis puikiai suteikia galimybę apskaičiuoti, kaip dalelės elgsis kvantiniu lygiu. Šie skaičiavimai yra sunkūs, tačiau juos daug lengviau atlikti naudojant galingus superkompiuterius, tokius kaip Airijos aukščiausios klasės kompiuterių centras (ICHEC).

Lunghi komanda TCD naudojo ICHEC įrenginius, kad pritaikytų Schrodinger lygtį, kad geriau suprastų sukimąsi ir nustatytų, kaip molekulinis judėjimas gali sutrikdyti dalelių sukimąsi. Šis proveržio tyrimas buvo paskelbtas Science Advances.

„Norime ištirti sukimąsi, paspartinti naujų medžiagų kūrimą“, – sako Lunghi. „Yra begalinis skaičius molekulių ir junginių, sudarančių medžiagas, kurias galime pagaminti laboratorijoje, bet mes norime sutelkti dėmesį į perspektyviausių medžiagų kūrimą ir tai padaryti greičiau.

Lunghi ir jo kolegų tikslas yra naudoti dirbtinį intelektą (AI) ir mašininį mokymąsi, kad būtų galima pažvelgti į informaciją, sukauptą per daugelį dalelių tyrimų dešimtmečius, ir ją apdoroti išmanesniais būdais. „Tai reiškia, kad užuot skaitę begalinį skaičių mokslinių straipsnių, kad bandytume sugalvoti naujos medžiagos „receptą“, mes tam naudojame kompiuterius. Mano laboratorijoje pradėjome kurti algoritmus, kurie gali tai padaryti, o ankstyvieji rezultatai yra labai džiuginantys.

Programos

Dalelių sukimosi tyrimas toli gražu nėra akademinis pratimas ir jis jau taikomas pagrindinėse srityse. Sukimo išnaudojimas yra magnetinio rezonanso tomografijos (MRT) technologijos, kuri saugiai ir neinvaziniu būdu sukuria išsamius anatominius vaizdus iš kūno vidaus, esmė.

„Dažnai kalbame apie galimas dalelės sukimosi kryptis, kai vienas sukimosi tipas virsta kitu“, – sako Lunghi. „Naudodamiesi MRT skenavimu matuojate vieno sukimosi tipo konvertavimo greitį į kitą, o tai nuskaitymo metu suteikia kontrastus tarp kūno audinių.

Be to, sukimasis yra labai svarbus magnetams, kurie yra aplink mus – nuo ​​žaismingų magnetų, kuriuos dedame ant šaldytuvo, iki elektromobilių, kuriais vairuojame, ar standžiųjų diskų, kuriuose saugomi atostogaujančių nuotraukų vaizdai.

Pramonė visada nori rasti naujų ir geresnių magnetų naujoms reikmėms. Iki šiol tai buvo labai sunku, tačiau naujos įžvalgos apie sukimąsi gali tai pakeisti.

Tokie fizikai kaip Lunghi suteikia daugiau informacijos apie sukimąsi ir jo veikimą. Tai labai svarbu, tačiau didžiulis ateities iššūkis yra rasti būdų, kaip kontroliuoti sukimąsi ir pritaikyti tai kuriant naujus kvantinius jutiklius.

Tai, kad sukimasis yra toks jautrus mažiems aplinkos pokyčiams, reiškia, kad jį galima labai efektyviai pritaikyti geresniems, jautresniems ir efektyvesniems kvantiniams jutikliams.

„Sukimasis yra labai jaudinanti ir trapi dalelių savybė ir labai lengvai trikdo“, – sako Lunghi. „Tačiau jei turime ką nors, ką aplinka lengvai trikdo, galime tai panaudoti pačiai aplinkai pajusti. Atomai svyruoja aplinkui, o šis nuolatinis atomo judėjimas trikdo sukimąsi, ir būtent su tuo mes stengiamės kovoti.

„Mūsų neseniai paskelbtame straipsnyje „Science Advances“ buvo siekiama tai suprasti“, – sako jis. „Jei galime pasiekti sukimosi stabilizavimą, tai atveria duris į naujų, pažangių medžiagų pasaulį, kurį galime sukurti ateityje.

Lunghi teigimu, sukimosi valdymas gali paskatinti naujų medžiagų, tokių kaip kvantiniai jutikliai, magnetai ar MRT kontrastinės medžiagos, projektavimą. „Mano laboratorijoje naudojame mašininį mokymąsi, kad paspartintume sukimo pagrindu pagamintų medžiagų kūrimą, panašiai kaip kiti žmonės, kad paspartintų vaistų kūrimą.

Grafenas: manipuliuoja gamta iki atskirų atomų lygio

Prof. Jonathanas Colemanas yra TCD fizikos mokyklos vadovas ir pagrindinis tyrėjas Airijos mokslo fondo pažangių medžiagų ir bioinžinerijos tyrimų centre (Amber), kuriame dirba ir Lungi.

Kolemanas, nors ir nedalyvauja tiriant sukimąsi, labai aktyviai dalyvauja kuriant pažangias naujas medžiagas, manipuliuodamas atomais ir molekulėmis, ir kuriant naujas programas, galinčias pakeisti pasaulį.

Viena medžiaga, kuria jis ypač domisi, yra grafenas, anglies rūšis, pagaminta iš dvimačio vieno atomų sluoksnio. Grafitas – pieštukų medžiaga – sudarytas iš grafeno sluoksnių, išdėstytų kaip kortų kaladė. Colemano grupė atrado būdą, kaip padaryti šiuos lakštus.

„Grafite tų statybinių blokų anglies lakštai yra tik vieno atomo storio“, – sako Colemanas. „Galime pagaminti šiuos vieno atomo storio lakštus ir panaudoti juos naujose programose. Mes galime manipuliuoti gamta iki vieno atomo lygio.

Grafitas nėra vienintelė sluoksniuota medžiaga. Pasak Colemano, yra tūkstančiai daugiasluoksnių medžiagų. „Tai svarbu, nes šios medžiagos skiriasi nuo grafeno savybių ir gali būti naudojamos įvairiems dalykams“, – sako jis.

„Paaiškėjo, kad tikroji mūsų grafeno gamybos metodo stiprybė ir svarba buvo ta, kad jis gali būti naudojamas visoms kitoms sluoksniuotoms 2D medžiagoms gaminti. Iki šiol šį metodą naudojome gal 30 medžiagų.

„Galbūt turite 2D medžiagą, kuri yra fantastiška akumuliatoriaus elektrodo medžiaga“, – sako Colemanas. Arba galite turėti 2D medžiagą, kuri yra puikus puslaidininkis tranzistoriui gaminti. Arba galite turėti itin tvirtą 2D medžiagą, kurią galite įdėti į plastiką, kad sustiprintumėte plastiką.

„Galime pagaminti daugybę skirtingų 2D medžiagų, priklausomai nuo to, kokį taikomųjų programų tyrimą norime atlikti“, – priduria jis.