Кислоту превратили в выключатель цвета пористого материала
Исследователи из Университета Хоккайдо, Япония, и Университета Кастилии-Ла-Манчи, Испания, создали органический пористый материал, который может менять цвет при воздействии на его водородные связи паров кислоты. Предполагается, что этот метод можно будет применить для изготовления датчиков и сенсоров. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.
Пористые органические материалы, меняющие цвет, могут использоваться для хранения и разделения газов и молекул, а также для работы органических электронных устройств и сенсоров. Ученые усовершенствовали пористую органическую структуру HOF. Структуры HOF (Hydrogen-bonded organic frameworks) состоят из органических молекул, связанных водородными связями. Благодаря такому строению HOF обладают гибкостью и возвращаются в исходное состояние при деформации. Однако, в то же время, хрупкость и неустойчивость к нагреву мешает максимально использовать потенциал материалов. Задачей японских и испанских исследователей было создание материала, который сохранял бы пористую структуру с соответствующими свойствами в условиях повышенной температуры.
Ичиро Хисаки и его коллеги разработали гексагональную каркасную структуру HOF под названием CPHATN-1a. Оказалось, что полученное вещество, помимо устойчивости к нагреванию, имеет еще одно полезное свойство — оно меняет цвет в зависимости от условий. При действии на CPHATN-1a раствора или паров соляной кислоты, соединение превращается из желтого в красно-бурый и возвращается в исходный цвет после удаления кислоты и нагрева. Полученное пористое вещество состоит из молекул ароматических углеводородов, в циклах которых некоторые атомы замещены на азот. Исследователи выяснили, что происходит сдвиг спектра поглощаемого материалом света, когда к атомам азота внутри каркаса присоединяются протоны из кислоты, и сдвиг в обратную сторону, когда протоны перестают взаимодействовать с азотом.
В испытаниях на устойчивость CPHATN-1a показал хорошие результаты: материал сохраняет пористую структуру при нагревании до 359 градусов Цельсия и не разрушается в таких растворителях как хлороформ, этанол и вода.
Характеристики CPHATN-1a — устойчивость к нагреву и некоторым растворителям, способность менять цвет в присутствии кислот, а также пористое строение и гибкость — позволяют применять материал в многоразовых сенсорах кислот в атмосфере, которые будут включать и выключать соответствующий цвет.
Сенсор для других газов — водорода, кислорода и углекислого газа — ранее изобрели австралийские ученые, которые уже провели испытания внутри человеческого тела.
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.