Плазма заменила клей для соединения полимеров
Японские химики из Университета Осаки придумали способ соединения фторопластов, тефлона (PTFE) и перфторалкана (PFA), и вулканизированного кремниевого полимера, полидиметилсилоксана (PDMS), без использования клея и с высокой адгезией. Полученные материалы этим же методом ученые нанесли на металл и стекло. Разработка полезна для пищевой промышленности и медицины, где наличие клея и дополнительных загрязнений лучше исключить. Работа была опубликована в журнале Nature.
Фторопласты обладают хорошими водо- и маслоотталкивающими способностями, скользящей поверхностью, устойчивы к химическому воздействию и различным погодным условиям. Однако к фторопластам сложно что-либо прикрепить, молекулы на поверхности полимера очень слабо взаимодействуют с другими материалами. Химическое травление – один из способов решить эту проблему, но оно токсично для человека, пагубно влияет на экологию, и в процессе травления фторопласты окрашиваются, что часто нежелательно. Соединять полимеры можно методом плазменной обработки, который экономичен, более безопасен для окружающей среды и обеспечивает высокую чистоту материала. Но обычное воздействие плазмой не позволяет добиться достаточной адгезии.
Юджи Окубо (Yuji Ohkubo) вместе с коллегами нашли новый способ, заключающийся в обработке плазмой поверхностей при повышенной температуре. Механизм процесса исследовался на соединении тефлона, PDMS и пластинки меди. Сила адгезии полученных материалов превысила 2 Ньютона на миллиметр.
При температуре выше 200 градусов Цельсия на поверхность фторопласта действовали плазмой гелия, а PDMS бомбардировали плазмой, генерируемой дуговым разрядом. Так на поверхности полимеров создали функциональные группы: карбонильную и карбоксильную (-COH, -COOH) у фторопласта и силанольную (-SiOH) у PDMS. Затем полимеры соединили этими сторонами и при нагревании сжимали, чтобы между функциональными группами образовались прочные связи, например, -Si-O-C- и водородные связи. «Склеенные» полимеры и медь снова обработали плазмой для получения силанольной группы (-SiOH) на поверхности PDMS, и гидроксильной группы (-ОН) на меди. Вещества подвергли термическому сжатию, в результате чего на их стыке образовались связи медь-кислород-кремний (Cu-O-Si).
Итак, получился «сэндвич» из трех различных слоев, которые соединены достаточно прочно. Аналогичным образом ученые нанесли тефлон и PDMS на стекло и сталь. Сочетание этих двух полимеров дополняет свойства каждого: химическая устойчивость, гидро- и маслофобность, гладкая и необрастающая поверхность от тефлона и эластичность от PDMS. Ученые добились прозрачности материала, когда заменили тефлон и медь на перфторалкан и стекло.
PDMS широко используется в медицине, особенно при создании микроструйных чипов, а тефлон за счет своих редких физических и химических свойств распространен в быту и технике. Метод, не требующий клея и дополнительных химических реагентов, обеспечивающий чистый продукт с улучшенными свойствами этих соединений, позволит расширить возможности используемых полимеров и получаемых на их основе материалов.
В этом году ученые показали, как кремний может влиять на свойства полимера, контролируя его поведение. Технология может применяться во многих сферах производства, в том числе в медицине и 3D-печати.
Анастасия Путилова
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».