Ученые выяснили, что графен является идеальным фильтром для получения чистого водородного топлива
Ученые из Манчестерского университета, проведя ряд исследований, выяснили что графен, материал абсолютно непроницаемый для всех газов и жидкостей, позволяет достаточно легко проходить сквозь свою однослойную кристаллическую решетку протонам, т.
е. лишенным электронов ядрам атомовводорода. Данное открытие может сыграть огромную роль в области разработки новых топливных элементов и других технологий, в которых используется водород, и которые требуют использования дорогостоящих специальных молекулярных фильтров.
Напомним нашим читателям, что графен представляет собой форму углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом. Графен впервые был получен в 2004 году, а в 2010 году, благодаря этому достижению, Андрей Гейм и Константин Новоселов, бывшие российские, а ныне английские ученые, стали лауреатами Нобелевской премии в области физики. Этот материал обладает целым рядом удивительных и уникальных свойств, в том числе, он абсолютно не пропускает через свою структуру молекулы других химических соединений. Это уже позволило ученым разработать на основе графена ряд видов антикоррозийных покрытий, непроницаемых упаковочных иантибактериальных материалов.
Однако, группа, возглавляемая Сэром Андреем Геймом, проверила, способна ли графеновая пленка пропускать сквозь себя протоны. Результаты некоторых теоретических расчетов указывали на то, что протоны также не смогут проходить сквозь графен, отражаясь от поверхности назад в пространство. Несмотря на столь пессимистические прогнозы, исследователи все же провели эксперименты и с удивлением обнаружили, что протоны пронзают графеновую пленку относительно легко, и эта их способность увеличивается еще больше при повышении температуры или в присутствии каталитических платиновых наночастиц на поверхности графена.
Данное открытие делает графен и нитрид бора, "одноатомный" материал с подобно графену структурой, весьма перспективными материалами для изготовления протонных мембран, мембран, пропускающих только атомарный водород, которые являются необъемлемой частью высококачественных топливных элементов, способных работать в течение длительного времени. Без таких мембран активные поверхности топливных элементов, покрытые каталитическими составами, достаточно быстро загрязняются различными примесями, находящимися в топливном газе, и если не выходят из строя полностью, то весьма чувствительно теряют в эффективности.
Кроме этого, ученые продемонстрировали, что графеновые протонные мембраны могут использоваться для выделения водорода из состава влажного воздуха, в котором он всегда находится в небольших количествах. Такая возможность позволит создавать портативные электрические генераторы, которые будут работать на воздухе в буквальном смысле этого слова. "Когда мы знаем, как это все должно работать, то создать установку достаточно просто" - рассказывает Марсело Лосада-Идальго (Marcelo Lozada-Hidalgo), аспирант из Манчестерского университета, - "Мы помещаем водородосодержащий газ с одной стороны мембраны, подаем на мембрану соответствующий электрический потенциал, и собираем с другой стороны чистейший водород, который может быть сожжен на поверхности катализатора топливного элемента".
"В своих исследованиях мы работали с маленькими мембранами, получая крошечные количества водорода. Но это лишь только начальная стадия использования нашего открытия, которое должно привлечь внимание специалистов в данной области" - рассказывает доктор Шенг Ху (Dr. Sheng Hu), - "Все это выглядит крайне простым и весьма многообещающим. А благодаря тому, что графен сейчас уже научились делать листами, площадью в квадратные метры, появления собирающих водород из воздуха "комбайнов", следует ожидать в недалеком будущем, хотя для этого и придется проделать немалую работу".
Напомним нашим читателям, что графен представляет собой форму углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом. Графен впервые был получен в 2004 году, а в 2010 году, благодаря этому достижению, Андрей Гейм и Константин Новоселов, бывшие российские, а ныне английские ученые, стали лауреатами Нобелевской премии в области физики. Этот материал обладает целым рядом удивительных и уникальных свойств, в том числе, он абсолютно не пропускает через свою структуру молекулы других химических соединений. Это уже позволило ученым разработать на основе графена ряд видов антикоррозийных покрытий, непроницаемых упаковочных иантибактериальных материалов.
Однако, группа, возглавляемая Сэром Андреем Геймом, проверила, способна ли графеновая пленка пропускать сквозь себя протоны. Результаты некоторых теоретических расчетов указывали на то, что протоны также не смогут проходить сквозь графен, отражаясь от поверхности назад в пространство. Несмотря на столь пессимистические прогнозы, исследователи все же провели эксперименты и с удивлением обнаружили, что протоны пронзают графеновую пленку относительно легко, и эта их способность увеличивается еще больше при повышении температуры или в присутствии каталитических платиновых наночастиц на поверхности графена.
Данное открытие делает графен и нитрид бора, "одноатомный" материал с подобно графену структурой, весьма перспективными материалами для изготовления протонных мембран, мембран, пропускающих только атомарный водород, которые являются необъемлемой частью высококачественных топливных элементов, способных работать в течение длительного времени. Без таких мембран активные поверхности топливных элементов, покрытые каталитическими составами, достаточно быстро загрязняются различными примесями, находящимися в топливном газе, и если не выходят из строя полностью, то весьма чувствительно теряют в эффективности.
Кроме этого, ученые продемонстрировали, что графеновые протонные мембраны могут использоваться для выделения водорода из состава влажного воздуха, в котором он всегда находится в небольших количествах. Такая возможность позволит создавать портативные электрические генераторы, которые будут работать на воздухе в буквальном смысле этого слова. "Когда мы знаем, как это все должно работать, то создать установку достаточно просто" - рассказывает Марсело Лосада-Идальго (Marcelo Lozada-Hidalgo), аспирант из Манчестерского университета, - "Мы помещаем водородосодержащий газ с одной стороны мембраны, подаем на мембрану соответствующий электрический потенциал, и собираем с другой стороны чистейший водород, который может быть сожжен на поверхности катализатора топливного элемента".
"В своих исследованиях мы работали с маленькими мембранами, получая крошечные количества водорода. Но это лишь только начальная стадия использования нашего открытия, которое должно привлечь внимание специалистов в данной области" - рассказывает доктор Шенг Ху (Dr. Sheng Hu), - "Все это выглядит крайне простым и весьма многообещающим. А благодаря тому, что графен сейчас уже научились делать листами, площадью в квадратные метры, появления собирающих водород из воздуха "комбайнов", следует ожидать в недалеком будущем, хотя для этого и придется проделать немалую работу".
Лазерный луч, закрученный в спираль, позволяет создать квантовые "водовороты"
Ученые-физики из австралийского Национального университета разработали технологию закручивания луча лазера в спираль и использовали этот луч для создания "водоворота" гибридных частиц света-материи, называемых поляритонами. Поляритоны - это квазчиастицы, обладающие одновременно свойствами света и материи. Долгое время ученые могли лишь создавать эти квазичастицы, но управлять и манипулировать ими не удавалось при помощи любых доступных методов. А ведь такой контроль поведения поляритонов представляет собой весьма перспективное направление, при помощи квазичастиц можно создать абсолютно новые технологии, связывающие обычную электронику с лазерными или оптоволоконными технологиями.
Поляритоны формируются на поверхности полупроводниковых материалов, когда свет лазера начинает особым образом взаимодействовать со свободными электронами и электронными вакансиями в кристаллической решетке, так называемыми электронными дырками, которые являются носителями положительного электрического заряда. Возникающие при этом силы взаимодействия настолько велики, что по большинству свойств образования из поляритонов невозможно отличить от таких же образований из обычной материи.
Ученые создали закрученный луч, проведя свет лазера через отверстие, маску, грани которой имели спиральную нарезку, подобно нарезке в оружейных стволах. Высота и шаг этой нарезки были расчитаны таким образом, что за счет влияния некоторых оптических явлений, луч на выходе из отверстия также был закручен по спирали. Этот луч был направлен в область микровпадины, зажатой меж двух отражателей на поверхности полупроводникового материала, арсенида галлия, нанесенного на алюминиевую подложку.
"Раньше получаемые нами вихревые образования из поляритонов появлялись беспорядочно. Отдельные частицы постоянно пытались двигаться в созданном "водовороте" в противоположных направлениях" - рассказывает доктор Роберт Дол (Dr. Robert Dall), который проводил экспериментальную часть проекта, - "Однако, благодаря использованию спиральной маски, структурирующей свет лазера определенным образом, нам удалось создать систему, все частицы которой предпочитают одно направление движения. И эти частицы образуют единый, устойчивый вихрь, направление и скорость которого мы можем регулировать по нашему желанию".
Созданные учеными "водовороты" поляритонов являются одним из образцов поведения квантовой жидкости, в которой все частицы объединяются в так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. "Эти вихри являются ничем иным, как "окнами" в недоступный нам квантовый мир. Их можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUIDS, Superconducting QUantum Interference Devices) и для многого, многого другого" - рассказывает доктор Елена Островская, возглавлявшая научную группу, - "Помимо всего прочего эти эффекты можно использовать для передачи квантовой информации в будущих системах квантовых вычислений и квантовых коммуникаций".
"Поляритоника, область, в которой изучаются и используются свойства поляритонов, является одной из самых быстро развивающихся областей науки на сегодняшний день" - рассказывает доктор Островская, - "Понимая все перспективы, которые сулит человечеству использование поляритонов, мы собираемся организовать целую сеть лабораторий с множеством работающих в них научных групп, исследования которых наверняка принесут достаточно весомые результаты".
Поляритоны формируются на поверхности полупроводниковых материалов, когда свет лазера начинает особым образом взаимодействовать со свободными электронами и электронными вакансиями в кристаллической решетке, так называемыми электронными дырками, которые являются носителями положительного электрического заряда. Возникающие при этом силы взаимодействия настолько велики, что по большинству свойств образования из поляритонов невозможно отличить от таких же образований из обычной материи.
Ученые создали закрученный луч, проведя свет лазера через отверстие, маску, грани которой имели спиральную нарезку, подобно нарезке в оружейных стволах. Высота и шаг этой нарезки были расчитаны таким образом, что за счет влияния некоторых оптических явлений, луч на выходе из отверстия также был закручен по спирали. Этот луч был направлен в область микровпадины, зажатой меж двух отражателей на поверхности полупроводникового материала, арсенида галлия, нанесенного на алюминиевую подложку.
"Раньше получаемые нами вихревые образования из поляритонов появлялись беспорядочно. Отдельные частицы постоянно пытались двигаться в созданном "водовороте" в противоположных направлениях" - рассказывает доктор Роберт Дол (Dr. Robert Dall), который проводил экспериментальную часть проекта, - "Однако, благодаря использованию спиральной маски, структурирующей свет лазера определенным образом, нам удалось создать систему, все частицы которой предпочитают одно направление движения. И эти частицы образуют единый, устойчивый вихрь, направление и скорость которого мы можем регулировать по нашему желанию".
Созданные учеными "водовороты" поляритонов являются одним из образцов поведения квантовой жидкости, в которой все частицы объединяются в так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. "Эти вихри являются ничем иным, как "окнами" в недоступный нам квантовый мир. Их можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей, элементов сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUIDS, Superconducting QUantum Interference Devices) и для многого, многого другого" - рассказывает доктор Елена Островская, возглавлявшая научную группу, - "Помимо всего прочего эти эффекты можно использовать для передачи квантовой информации в будущих системах квантовых вычислений и квантовых коммуникаций".
"Поляритоника, область, в которой изучаются и используются свойства поляритонов, является одной из самых быстро развивающихся областей науки на сегодняшний день" - рассказывает доктор Островская, - "Понимая все перспективы, которые сулит человечеству использование поляритонов, мы собираемся организовать целую сеть лабораторий с множеством работающих в них научных групп, исследования которых наверняка принесут достаточно весомые результаты".
Технологии изготовления Blu-Ray дисков позволяют увеличить эффективность солнечных батарей
Blu-Ray диски, которые пришли на смену DVD-дискам, обладают массой преимуществ по сравнению с последними. Они имеют более высокую плотность записи информации, большую информационную емкость и обеспечивают более высокую скорость считывания. Но, к этому ряду достоинств можно смело добавить еще одно, технологии, которые используются в производстве дисков, могут помочь в увеличении эффективности солнечных батарей. Оптическая маска, создаваемая записанной на диске информацией, служит достаточно хорошим средством, позволяющим сконцентрировать и сфокусировать падающий на поверхность батареи солнечный свет.
Как это бывает очень часто в науке, увеличение эффективности солнечной батареи при помощи Blu-Ray диска было обнаружено исследователями из Северо-Западного университета, Иллинойс, совершенно случайно. Неизвестно каким именно образом диск очутился сверху солнечной батареи, но благодаря этому исследователи обнаружили резкое увеличение количества поглощаемого батареей солнечного света.
"Во время своих исследований у нас уже появились некоторые догадки о том, что оптические маски, наложенные на поверхность солнечных батарей, могут существенно увеличить их эффективность. И каково было наше удивление, когда мы обнаружили уже готовые такие маски, запечатленные на информационных слоях Blu-Ray дисков" - рассказывает Цзясинь Хуань (Jiaxing Huang), профессор из Северо-Западного университета, - "У нас сложилось впечатление, что инженеры, разработавшие технологию Blu-Ray дисков, подсознательно сделали часть нашей работы".
Обнаружив эффект увеличения эффективности поглощения света, профессор Хуань с коллегами занялся более тщательным изучением обнаруженного феномена. Оказалось, что одну из главных ролей в этом деле играют алгоритмы сжатия видео, которые качественно удаляют избыточную информацию, что способствует более равномерному распределению 1 и 0 по всей площади информационного слоя диска. Проведенные эксперименты, в которых ученые использовали все доступные им средства, даже диски с записанными на них черно-белыми фильмами, показали, что лучшие результаты получаются, когда расстояния между последовательностями 1 и 0 находятся в пределах от 150 до 525 нанометров.
После того, как ученые начали понимать, что же именно происходит на самом деле, они взяли специальную полимерную пленку и нанесли на нее маску, образ которой был подобен образу информации, записанной на Blu-Ray диск. Эта пленка, наложенная на поверхность достаточно посредственной солнечной батареи, позволила поднять ее эффективность до 21.8 процентов, что почти в два раза больше эффективности батареи без пленочного покрытия.
Факт такого использования технологий Blu-Ray дисков уже удивителен сам по себе. К сожалению, исследовательская группа и ее руководство еще сами не знают, что же им делать с обнаруженным феноменом. Но, при условии наличия заинтересованности со стороны потенциальных инвесторов, исследования в данном направлении могут быть продолжены и разработанные технологии могут быть реализованы в виде новых высокоэффективных солнечных батарей.
Как это бывает очень часто в науке, увеличение эффективности солнечной батареи при помощи Blu-Ray диска было обнаружено исследователями из Северо-Западного университета, Иллинойс, совершенно случайно. Неизвестно каким именно образом диск очутился сверху солнечной батареи, но благодаря этому исследователи обнаружили резкое увеличение количества поглощаемого батареей солнечного света.
"Во время своих исследований у нас уже появились некоторые догадки о том, что оптические маски, наложенные на поверхность солнечных батарей, могут существенно увеличить их эффективность. И каково было наше удивление, когда мы обнаружили уже готовые такие маски, запечатленные на информационных слоях Blu-Ray дисков" - рассказывает Цзясинь Хуань (Jiaxing Huang), профессор из Северо-Западного университета, - "У нас сложилось впечатление, что инженеры, разработавшие технологию Blu-Ray дисков, подсознательно сделали часть нашей работы".
Обнаружив эффект увеличения эффективности поглощения света, профессор Хуань с коллегами занялся более тщательным изучением обнаруженного феномена. Оказалось, что одну из главных ролей в этом деле играют алгоритмы сжатия видео, которые качественно удаляют избыточную информацию, что способствует более равномерному распределению 1 и 0 по всей площади информационного слоя диска. Проведенные эксперименты, в которых ученые использовали все доступные им средства, даже диски с записанными на них черно-белыми фильмами, показали, что лучшие результаты получаются, когда расстояния между последовательностями 1 и 0 находятся в пределах от 150 до 525 нанометров.
После того, как ученые начали понимать, что же именно происходит на самом деле, они взяли специальную полимерную пленку и нанесли на нее маску, образ которой был подобен образу информации, записанной на Blu-Ray диск. Эта пленка, наложенная на поверхность достаточно посредственной солнечной батареи, позволила поднять ее эффективность до 21.8 процентов, что почти в два раза больше эффективности батареи без пленочного покрытия.
Факт такого использования технологий Blu-Ray дисков уже удивителен сам по себе. К сожалению, исследовательская группа и ее руководство еще сами не знают, что же им делать с обнаруженным феноменом. Но, при условии наличия заинтересованности со стороны потенциальных инвесторов, исследования в данном направлении могут быть продолжены и разработанные технологии могут быть реализованы в виде новых высокоэффективных солнечных батарей.
Источник: tehnowar.ru.
Свежие комментарии