В углеродной нанотрубке обнаружен необычный термоэлектрический эффект

Группа ученых из Кореи и США обнаружила, что химическая реакция горения нанометрового слоя гексогена может проходить в 10 000 раз быстрее, если он окружает многостенную углеродную нанотрубку. Более того, одновременно с горением гексогена в нанотрубке возникает импульс напряжения, мощность которого в пересчете на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки может на порядок превосходить аналогичную величину, создаваемую в современных литий-ионных аккумуляторах. Описанный эффект, обнаруженный впервые, не укладывается в рамки классический теорий, связывающих тепловые и электрические явления. По мнению исследователей их открытие может найти применение как источник энергии для микро- и наномеханических устройств.

Несмотря на то что с момента «официального» открытия углеродных нанотрубок прошло уже почти 20 лет (некоторые ученые полагают, что нанотрубки наблюдали не в 1991 году, а значительно раньше, еще в начале 50-х годов ХХ века), экспериментальные и теоретические исследования данной аллотропной формы углерода по-прежнему остаются «горячей» темой в науке. Как показали многочисленные исследования, углеродные нанотрубки за счет своих уникальных физических свойств могут оказаться очень полезными в самых разнообразных областях человеческой деятельности: микроэлектронике, биомедицине, конструировании высокопрочных конструкций, создания нанодвигателей и т. д.

Пару лет назад «Элементы» рассказывали о теоретической работе, в которой впервые предлагалось использовать одностенную углеродную нанотрубку как ускоритель крупных молекул и как источник энергии. Правда, последний вариант оказался не очень перспективным, так как, согласно расчетам, производительность такого «генератора» получалась чрезвычайно малой в сравнении с энергетическим выходом ядерных реакций — всего лишь 0,01 эВ на один атом углерода.

В связи с этим работу американских и корейских ученых Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves, опубликованную в журнале Nature Materials, безусловно, следует считать значительным прогрессом в области «нанотрубочной энергетики». Авторы статьи при помощи серии экспериментов обнаружили, что горение легко воспламеняющегося циклотриметилентринитрамина (более известного как гексоген) в присутствии многостенной углеродной нанотрубки генерирует в ней импульс электрического напряжения с неожиданно большой удельной мощностью (то есть мощностью на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки) — около 7 кВт/кг, что практически на порядок превосходит аналогичную характеристику, создаваемую при помощи литий-ионных аккумуляторов.

Начиная с этого момента ученые фиксировали необычные явления, которые до них никто не наблюдал и которые, как оказалось, не укладываются в рамки существующих физических теорий, описывающих взаимосвязь между тепловыми и электрическими процессами. Прежде всего, авторы статьи отмечают, что возникающая в результате воспламенения гексогена тепловая волна (волна теплопроводности) распространялась преимущественно вдоль системы «углеродная нанотрубка — гексоген» в 10 тыс. раз быстрее, чем те же волны в чистом гексогене без нанотрубочной вставки. Можно сказать иначе: углеродная нанотрубка служила сильным катализатором химической реакции горения гексогена.

Но не на этом явлении акцентируют внимание исследователи в своей статье. Второй обнаруженный эффект был наиболее интересным и значимым. Оказалось, что одновременно с быстрым распространением тепловой волны происходило рождение импульса напряжения (рис. 2a–c), достигающего в некоторых экспериментах 210 мВ (милливольт) и отличающегося значительной (для системы с такими размерами) мощностью; см. также видео эксперимента с поясняющими субтитрами.

На первый взгляд может показаться, что ничего удивительного в этом нет. Еще с XIX века физикам хорошо известен эффект Зеебека, заключающийся в том, что перепад температур в проводнике создает в нём разность потенциалов (напряжения) между областями с разной температурой. Возникающее напряжение, которое еще называют термоЭДС, пропорционально разности температур в проводнике; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом термоЭДС (вообще говоря, эффект Зеебека представляет собой один из трех так называемых термоэлектрических эффектов, наряду с эффектом Пельтье и эффектом Томсона). То есть кажется абсолютно логичным и ожидаемым, что движение тепловой волны, а вместе с ней и температурного градиента, приводит к появлению импульса электрического напряжения — термоЭДС. Однако исследователи установили, что для большинства систем «углеродная нанотрубка — гексоген» возникающая разность потенциалов имеет существенно большее значение, нежели предсказываемое теорией эффекта Зеебека, «заточенной» под углеродную нанотрубку, при условии, что коэффициент термоЭДС для нее известен (он был измерен ранее).

Помимо этого, в изучаемом объекте разность температур не зафиксирована жестко, как это происходит в «статическом» эффект Зеебека, а перемещается вдоль углеродной нанотрубки, то есть имеет место своеобразный «динамический» эффект Зеебека.

Наконец, и это самое важное, мощность импульса термоЭДС в пересчете на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки, оказалась очень высокой. Для некоторых систем эта величина превышала 7 кВт/кг (рис. 2d). Фактически в распоряжении ученых оказался хоть и крохотный, но очень мощный источник энергии. Интересно, что если сравнить энергетический выход современных литий-ионных аккумуляторов и таких вот «нанотрубочных генераторов», то последние имеют почти на порядок большую удельную мощность.

Однако не всё оказалось настолько радужным и перспективным. Дальнейшие эксперименты, проведенные авторами статьи, установили сильную обратную зависимость между суммарной массой нанотрубки и гексогена и удельной мощностью, вырабатываемой ими. Проще говоря, мощным «нанотрубочный генератор» является лишь тогда, когда его масса очень маленькая, и чем меньше она, тем лучше.

Рис. 1. Механизм химической реакции системы «углеродная нанотрубка—гексоген». Вверху — многостенная углеродная нанотрубка (CNT), обернутая в нанометровый слой гексогена (TNA): схематический рисунок (слева) и химическая структура (справа). Внизу — методика эксперимента и возникновение тепловых волн. Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Materials

Рис. 2. (a) Рисунок экспериментальной установки, с помощью которой был обнаружен импульс напряжения (термоЭДС) при горении гексогена. В зависимости от направления прохождения тепловых волн в системе «углеродная нанотрубка — гексоген» термоЭДС может иметь как положительный, так и отрицательный знак (разные направления протекания тока). (b) Сразу после воспламенения гексогена возникает импульс напряжения, достигающий в пределе 30–35 мВ (в некоторых экспериментах ученые фиксировали рекордные 210 мВ) и имеющий определенную полярность в зависимости от того, с какой стороны начинает идти реакция. Отношение масс гексогена и углеродной нанотрубки (TNA/CNT) для данной величины термоЭДС составляло 9, общая масса системы была 0,8 мг, длина нанотрубки 3 мм. (c) Увеличение суммарной массы нанотрубки и гексогена приводило к уменьшению скорости тепловых волн и появлению нескольких импульсов напряжения противоположной полярности (верхний график). Аналогичная картина наблюдалась, когда гексоген поджигался не с конца нанотрубки, а с ее середины. На вставках к графикам приведены параметры системы. (d) Зависимость удельной мощности электрического импульса от общей массы системы для различных отношений масс гексогена и нанотрубки (9; 4,5 и 2,8) и для двух диаметров многостенной нанотрубки (13 и 22 нм). Зеленая сплошная линия соответствует расчету зависимости, опирающейся на классический «статический» эффект Зеебека для углеродной нанотрубки в предположении, что на ее концах создана разность температур 300 и 2800 К (температура горения гексогена). Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Materials

Российские ученые раскрыли тайну ураганов

Российским ученым из Института космических исследований РАН удалось раскрыть секрет тропических ураганов, передает ИТАР-ТАСС.

Они изучили данные с искусственных спутников Земли и выявили ранее неизвестную, но имеющую ключевое значение особенность.

Если в урагане резко сокращается количество переносимого им водяного пара, то в течение суток он набирает огромную силу, превращаясь в смертельную угрозу. Именно по такому сценарию развивались события с ураганом "Катрина", нанесшему страшный удар по американскому городу Новый Орлеан.

Новое открытие позволяет предсказывать ураганы, а у соответствующих служб остается в запасе не менее суток, чтобы предпринять меры по защите людей и подготовиться к удару стихии.

Самая стойкая бактерия на Земле могла принести жизнь из космоса

19 июл - РИА Новости. Бактерия Deinococcus radiodurans, способная существовать в самых экстремальных условиях, могла пережить межпланетное "путешествие" и стать источником жизни на Земле, считают ученые, чья работа опубликована в журнале Planetary and Space Science.

Название Deinococcus radiodurans переводится с греческого и латыни как "страшная ягода, способная переносить радиацию". Бактерию диаметром 1,5-3,5 нанометра обнаружили в 1950-х годах в ходе эксперимента по стерилизации пищи с помощью радиации: из-за этой бактерии мясо испортилось даже после высокой дозы гамма-излучения, которое должно было убить все микроорганизмы. Deinococcus radiodurans может пережить дозу острого облучения в 5 тысяч греев почти без потери жизнеспособности, при этом для человека смертельной может стать доза всего в пять греев.

Иван Паулино-Лима (Ivan Paulino-Lima) из Федерального университета Рио-де-Жанейро и его коллеги исследовали влияние космического излучения, низких температур и вакуума на жизнеспособность Deinococcus radiodurans. Они выяснили, что бактерия может переносить самые суровые условия и теоретически могла бы перенести межпланетный полет.

"Доля жизнеспособных микроорганизмов (в экспериментах - ред.) оставалась практически одинаковой (в среднем 2%) при суммарной дозе (излучения - ред.) от 1,2 до 12 килоджоулей на квадратный метр, что соответствует максимум 16 часам облучения (...). Такие высокие уровни выживаемости свидетельствуют в пользу возможности межпланетного переноса жизнеспособных микробов", - пишут авторы статьи.

В эксперименте ученые облучали колонии на разных поверхностях, соответствующих метеоритам по химическому составу и рельефу, чтобы проверить, как эти факторы влияют на выживаемость бактерии.

По их мнению, полученные результаты показывают, что Deinococcus radiodurans может считаться кандидатом в "зародыши жизни", которые могли попасть на Землю из космоса.

Ученые открыли… ничто. Чем это грозит?

Необычный эксперимент удалось провести итальянским ученым, вместо того, чтобы создавать технологии, которые позволят исследователям подойти максимально близко к таким экстремальным объектам, как черные дыры, они создали саму черную дыру.

Точнее ее микроскопическую имитацию в лабораторных условиях. Необычная микро-дыра была создана при помощи обычного лазера, образцов чистого стекла и чувствительных детекторов.

Черные дыры, чье существование уже принято во всем научном мире, представляют собой останки звездных ядер, обладающие супервысокой плотностью. Эти объекты сжимаются до такой плотности, что здесь уже нет вещества в привычном понимании, под действием собственной гравитации. Одним из наиболее интересных свойств черных дыр является их бесконечно сильная гравитация, из зоны действия которой уже не может вырваться никакой материальный объект. Даже фотоны света, попадая туда, уже не могут вырваться.

Зона, дальше которой объекты уже не могут покинуть «объятия» черной дыры, называется горизонтом событий. Нечто подобное и было создано рядом итальянских физиков, которые попытались доказать, что наиболее экстремальное и труднообъяснимое свойство черных дыр реально и на практике существует.

Специалисты из ряда итальянских университетов и лабораторий провели эксперимент, в котором они направляли пучки лазера на очень чистое стекло. В обычных условиях лазер должен был проходить через стекло, однако, если плотность стекла или интенсивность света превышает определенный уровень, то атомы, составляющие материал, могут выходить из своего начального положения. Это, в свою очередь меняет так называемый индекс преломления материала. Данный параметр говорит о преломлении света при прохождении через материал и отклонении его направления от первоначального угла вхождения в материал.

Изменение показателя преломления происходит одновременно с лазерным импульсом, когда он проходит сквозь стекло. В результате перемещения возникает показатель индекса возмущения. Эффект индекса происходит не из-за энергии лазерного импульса, и даже не из-за изменения показателя преломления, составляющего менее 1%, но из-за быстроты изменений, которые длятся примерно 1-2 пикосекунды (триллионная доля секунды).

В 1974 году британский физик Стивен Хоукинг предложил научному миру новый вариант радиации, который позже получил название радиации Хоукинга. Хоукинг предположил, что черные дыры — это не билет в один конец и все-так что-то способно вырваться из их гравитационного поля. Хоукинг допустил, что радиация особо типа является своего рода выхлопом черных дыр. Данная радиация состоит из излучения на основе квантовых квази-виртуальных частиц.

Позже было подтверждено, что из черных дыр могут фиксироваться испарения в виде пар частица-античастица, однако ввиду нестабильной природы этого тандема, на практике зафиксировать это излучение сложно.

Однако Хоукинг предвидел, что в непосредственной близости от горизонта событий плотность энергии была столь велика, что зачастую избыточная энергия может преобразовать затухающие пары частиц в реальные частицы. Нечто похожее происходит и в больших ускорителях частиц, наподобие Большого адронного коллайдера. Если пары родились как раз на горизонте событий, то есть на точке, от которой уже нет возврата, то одна из частиц может быть затянута, тогда как другая останется без пары и она имеет все шансы в дальнейшем оставаться несвязанной.

Таким образом, радиация Хоукинга, это, говоря упрощенно, и есть такие частицы без пары, которые убегают от черной дыр. Правда, отметим, что до сих пор существование эффекта радиации Хоукинга в комплексе так и не было доказано.

А вот что удалось итальянским физикам, так это воссоздать в стекле небольшую зону, в которой свет просто не может двигаться дальше. Тоже самое происходит и на горизонте событий. В одном случае свет не может идти из-за искривления пространства под действием силы тяжести, в других луч света просто рассыпается из-за созданных условий в среде стекла.

По словам ученых, то, что происходит в стекле, соответствует тому, что происходит в черной дыре. Правда, в случае с черной дырой так происходит со всеми веществами, тогда как в стекле только со светом.
Ученые говорят, что в случае высокоэнергетическим излучением в искусственном горизонте событий некоторые из создаваемые виртуальных фотонов вполне могут быть конвертированы в фотоны реальные.

Руководитель исследования Даниэле Фаччио, говорит, что тщательная настройка лазерного импульса позволяет создать условия, при которых происходит полное поглощение луча атомами кристалла стекла.

«Мы теперь может проводить некоторые весьма экзотические и интересные опыты. Мы в состоянии объединить горизонты черных и белых дыр (черные дыры, в которых время идет в обратном направлении, и которые не могут впускать свет, а способны только выпускать его), проводить эксперименты с лазером в черных дырах между двумя горизонтами событий», — говорит он.
CyberSecurity.ru