Физики усовершенствовали наночастицы диоксида титана, полезные для экологии и биомедицины
Российские ученые синтезировали высокоактивные наночастицы диоксида титана (TiO₂), допированные иттрием. Частицы обладают повышенной фотокаталитической активностью, что перспективно в биомедицине, экологии и фотоэлектрике.
Диоксид титана — неорганическое соединение, которое широко используется в современной науке и промышленности. Оно известно способностью расщеплять органические загрязнения под действием света, что делает его незаменимым, например, для очистки воды и воздуха. Кроме того, вещество нетоксично и его фотокаталитические свойства могут найти применение в биомедицине: для антимикробных покрытий или фотодинамической терапии. Также диоксид титана играет ключевую роль в разработке солнечных батарей благодаря способности поглощать ультрафиолетовое излучение. Однако применение диоксида титана в чистом виде имеет ограничения. Широкая запрещенная зона не позволяет использовать его за пределами ультрафиолетовой области спектра, а быстрое воссоединение возбужденных электронов и положительных зарядов (дырок) снижает его фотоэффективность.
«Мы стремились повысить фотокаталитическую активность TiO₂ за счет допирования иттрием (Y) и оптимизации условий синтеза и постобработки. Наша группа хотела получить наночастицы с минимальным содержанием органических примесей, контролируемым размером и улучшенными оптическими свойствами», — рассказал Александр Сюй, главный научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института (МФТИ).
Ученые из Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ), Московского государственного университета (МГУ) и Московского физико-технического института (МФТИ) провели комплексное исследование влияния параметров синтеза и концентрации допанта — иттрия — на структуру, фотолюминесцентные свойства и фотокаталитическую активность наночастиц диоксида титана. Особенность этой работы заключалась в комплексной оптимизации постобработки образцов. Исследование опубликовано в журнале Inorganic Materials: Applied Research.
«Мы систематически сопоставляли режим постобработки и морфологию, фазовый состав, оптические свойства и фотокаталитическую активность полученных частиц. Это позволило нам получить воспроизводимые и высокоактивные образцы с контролируемыми характеристиками», — объяснил Александр Сюй.
Физики синтезировали наночастицы методом гидротермального синтеза с последующей промывкой для очищения от прекурсоров. Последовавший обжиг образца позволил уменьшить количество углерода и сформировать фазу анатаза. Затем полученный материал подробно изучался с помощью оптической спектроскопии, электронной микроскопии и дифракционных методов.
Размер частиц уменьшался с ростом концентрации иттрия, что приводило к снижению скорости рекомбинации и незначительному увеличению ширины запрещенной зоны. Ученые определили оптимальный диапазон концентрации допанта ~2–5,5 ат.%, за пределами которого фотоактивность наночастиц низкая. Это объясняется тем, что ионы иттрия Y³⁺ работают как ловушки для зарядов и препятствуют излучению, возникающему вследствие воссоединения электрона с дыркой.
Максимальная фотокаталитическая активность происходила с коэффициентом скорости деградации k ≈ 35 × 10³ мин⁻¹. Это значение более чем в полтора раза превышает величину чистого вещества. Ученые разработали воспроизводимую технологию чистых наночастиц с контролируемым размером 10–25 нанометров и фазой анатаза. Это ценно для практического применения этих частиц. Результаты работы количественно связывают состав, структуру и свойства наночастиц, что позволяет создавать фотокатализаторы с известными и заданными характеристиками.
Помимо экологических и медицинских областей, эти частицы перспективны для разработки самоочищающихся покрытий для строительных материалов, солнечных батарей и сенсоров, требующих контролируемых оптических и электронных свойств.
«Мы планируем расширить спектральную активность частиц в видимую область за счет комбинированного допирования, например Y + азот или сера. Хотим интегрировать наночастицы в гибридные структуры, например с максенами или графеном. Это позволит повысить разделение зарядов и улучшит их работу под солнечным светом. Также естественный следующий шаг — переход от ультрафиолетового к видимо-световому фотокатализу для повышения практической ценности вещества. Еще планируется масштабирование синтеза и тестирование в реальных условиях, например в проточных реакторах для очистки сточных вод», — поделился Александр Сюй.
Telegram 
Дзен 
VK Если достаточно развитая цивилизация может отправлять к звездам не колонистов, а крошечные автономные зонды с ИИ, роботами и архивами знаний, то молчание Вселенной становится еще более странным. Возможно, развитые цивилизации не строят космические империи и не окружают звезды мегаструктурами, а расселяются по Галактике тихо — с помощью малозаметных автоматических систем.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Современные люди проводят днем неподвижно столько же времени, сколько и охотники-собиратели. Но делают это сидя, а не на корточках, как их предки. Физиология человека не адаптирована к сидению, а физические возможности цивилизованных людей — к длительному пребыванию на корточках. Теперь исследователи рассчитали часть цены, которую мы платим за проблему длительного сидения.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно