Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#916   morozov » Пт апр 20, 2018 13:19

Гибкий резистивный нагреватель из Ag нанопроволоки в “перламутре”

Исследователи из Nanyang Technological Univ. (Сингапур) сообщили о создании нового материала, который можно использовать как гибкий резистивный нагреватель в носимых устройствах [1]. Прототипом послужил лёгкий, но очень прочный перламутр. Этот природный биокомпозит состоит из “кирпичиков” – пластинок арагонита, образующих параллельные слои. Промежутки между “кирпичиками” заполнены наноструктурным “строительным раствором” из хитина и белков. Изучение иерархической структуры перламутра уже позволило ученым, в том числе и авторам [1], разработать ударопрочные керамику и стекла, композитные полимерные пленки и покрытия разного назначения (см. также ПерсТ [2]). Однако гибкие прозрачные пленки для резистивного нагрева сделать до сих пор не удавалось. Плёночные ITO (Indium-Tin Oxide) структуры на основе оксидов индия и олова имеют хорошие оптические и электрические свойства, однако они дорогие и хрупкие. Альтернативным материалом является сетка из Ag нанопроволоки (Ag-NW) на термопластике, но такие нагреватели имеют грубую поверхность и недостаточную механическую прочность из-за слабой адгезии нанопроволоки к пластику. Сингапурские исследователи предложили новую прозрачную гибкую нанокомпозитную основу (NC), имитирующую перламутр. Перемешивание дисперсии лапонита* с поливиниловым спиртом и последующее удаление воды позволило путем самосборки получить упорядоченные слоистые пленки из нанопластинок лапонита, покрытых полимером. Для синтеза пленки (сетки) из Ag нанопроволоки авторы [1] использовали вакуумную фильтрацию дисперсии Ag-NW в этаноле. Затем методом горячего прессования из Ag-NW и основы NC получили композит Ag-NW/NC (рис. 1,2).
Изображение

Рис. 1. Схема получения резистивного нагревателя из Ag нанопроволоки, внедренной в “перламутровую” основу со структурой brick-and-mortar
(“кирпич-раствор”). Также показано возможное применение для выделения при помощи нагрева антибиотика VM из гидрогеля, покрытого PCM
(phase change material).

ИзображениеИзображение

Рис. 2. SEM изображения поперечного сечения (излома) слоистой NC основы (слева) и
композитной пленки Ag-NW/NC при плотности Ag-NW, равной 64 мг/м2 (справа).
Новый пленочный материал имеет очень хорошие оптические и электрические характеристики, сравнимые с характеристиками ITO: поверхностное сопротивление от 10 до 80 Ом/квадрат и коэффициент пропускания для 550 нм от 70 до 91% (при уменьшении плотности AgNW от 111 до 23 мг/м2). Сопротивление практически не меняется при многократном (до 2000 циклов!) сгибании или скручивании в трубочку (рис. 3).
Изображение

Рис. 3. Фотографии Ag-NW/NC (64 мг/м2), демонстрирующие стабильность работы при складывании и скручивании.
Нагреватель дает быстрый (10 сек) и длительный тепловой отклик при низком входном напряжении. Благодаря отличным оптическим, электрическим и механическим свойствам он может быть использован для выделения различных молекул, например, лекарств, при контролируемом нагреве, а также, конечно, найдет применение в гибких носимых устройствах.

О. Алексеева

_______________

*Лапонит – синтетический силикат слоистой структуры. В последние годы используется для получения композитов с наночастицами металлов, которые удерживаются в межслоевом пространстве или на поверхности слоев.

1. P.Das et al., ACS Appl. Nano Mater. 1, 940 (2018).

2. ПерсТ 20, вып. 18, с.3 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#917   morozov » Вс апр 22, 2018 13:26

Электрическое переключение 2D ван-дер-ваальсовых магнитов

Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры – материалы, собираемые из двумерных слоев различных кристаллов подобно деталям детского конструктора. Как следует из названия, сцепление между слоями обеспечивается относительно слабыми (по сравнению с ковалентной связью) кулоновскими силами межатомного взаимодействия. В последние несколько лет стали появляться сообщения о ван-дер-ваальсовых магнитных материалах, позволяющих изучать двумерный магнетизм и создавать материалы с заданными магнитными свойствами методами инженерии гетероструктур. Например, магнитный полупроводник CrI3 является ферромагнитным при нечетном числе атомных слоев и антиферромагнетиком – при четном [1].

В недавней работе [2] исследователи из Cornell Univ. и Pennsylvania State Univ. (США) создали на основе CrI3 и других двумерных материалов гетероструктуру, напоминающую полевой транзистор: роль затворного контакта играли листы графена, а подзатворного диэлектрика – нитрид бора. В результате ими были продемонстрированы новые магнитоэлектрические свойства ван-дер-вальсовской структуры: под действием электрического напряжения магнитный порядок двойного слоя CrI3 может перестраивается из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и обратно (см. рис.), что эквивалентно воздействию магнитного поля в половину Тесла и магнитоэлектрическому эффекту на полтора порядка больше, чем в классическом магнитоэлектрике Cr2O3.

Изображение

Переключение двойного слоя ван-дер-ваальсова магнита с помощью электрического поля [1]. Структура находится в магнитном поле смещения ~0.5 Тесла.

Тут стоит сделать обычную в таких случаях оговорку: магнитоэлектрический эффект проявляется в CrI3 только при низких температурах. Впрочем, наука о 2D магнитах только начинает свое развитие, и она совсем необязательно будет вечно оставаться в рамках физики низких температур.

А. Пятаков

1. B.Huang, et al., Nature 546, 270 (2017).
2. Sh.Jiang et al., Nature Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0040-6 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#918   morozov » Ср апр 25, 2018 19:51

Кремниевые бакиболы против призманов

На страницах предыдущего выпуска ПерсТа [1] мы уже рассказывали о термической устойчивости углеродных полипризманов, которые можно квалифицировать как углеродные нанотрубки с экстремально малым поперечным сечением в виде правильного многоугольника. Как оказалось, даже небольшие призманы не способны долго существовать при комнатной температуре, поэтому их применение в наноэлектронике без использования хладагентов или дополнительной химической модификации достаточно затруднительно. В то же время некоторые их кремниевые аналоги, так называемые силапризманы, в том числе эндоэдральные (содержащие дополнительный атом внутри кремниевой клетки), ряд исследователей характеризуют как “ультрастабильные”, тем самым допуская их непосредственное участие во “втором рождении” кремниевой электроники в качестве базовых ее элементов и устройств. В работе [2] авторы представили результаты глобальной оптимизации кластеров Si18H12 и Si19H12 с целью понимания энергетического места силапризманов и соответствующих эндоэдральных комплексов (см. рис.), а именно их устойчивости, относительно других возможных изомеров.

Изображение
Молекулярные структуры классического силапризмана Si18H12 (слева) и эндоэдрального комплекса на его основе Si@Si18H12 (справа).

Для глобальной оптимизации они применили генетический алгоритм в сочетании с теорией функционала плотности. Такая непростая задача потребовала одновременного использования сразу нескольких программных средств: ASE, DFTB+, GAMESS и TeraChem. В результате оказалось, что форма свободных молекулярных систем Si18H12 и Si19H12 в основном энергетическом состоянии напоминает скорее допированные водородом неклассические или дефектные фуллерены или бакиболы, а отнюдь не призманы. На следующем шаге исследователи предприняли попытку разобраться, каким образом пространственное ограничение (конфайнмент) цилиндрического типа способно повлиять на структуру низкоэнергетических изомеров Si18H12 и Si19H12. Такая формулировка соответствует ситуации, как если бы кремниевую структуру поместили, например, в классическую углеродную нанотрубку большего диаметра. К сожалению, и в этом случае силапризманы оказались не самыми низкоэнергетическими системами, хотя авторы отмечают, что их формирование под действием конфайнмента становится более предпочтительным, чем в его отсутствие. Тем не менее, такой процесс как самосборка силапризманов из силанов и молекулярного водорода при комнатной температуре, как предсказывали некоторые исследователи, не представляется возможным. В итоге однозначно говорить об абсолютной ультрастабильности силапризманов не приходится. И хотя авторы дополнительно рассчитали оптические спектры, по которым теоретически можно отделить силапризманы от других изомеров, их получение остается открытой проблемой. Бакиболы пока выигрывают.
М. Маслов

1. ПерсТ 25, вып. 3/4, с. 7 (2018).

2. M.V.Gordeychuk et al., Int. J. Quant. Chem., https://doi.org/10.1002/qua.25609 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#919   morozov » Пн апр 30, 2018 15:47

Изображение

Мастерskая будущего
Натрий вместо лития, или Как создают аккумуляторы будущего

24.04.2018 № 252 c.3 Алексей Огнёв Исследования Один комментарий 4497 просм., 242 — за сегодня Распечатать статью Распечатать статью

Каждый день вы и еще несколько миллиардов человек подзаряжаете свои мобильные телефоны, ноутбуки и прочие гаджеты, запасая энергию в миниатюрном литий-ионном аккумуляторе. С ростом рынка электромобилей и возобновляемой энергетики встал вопрос об альтернативе литию для аккумуляторов: этот металл растет в цене, и на планете его не так много. Исследователи разных стран работают над совершенствованием существующих и поиском новых технологий для накопления энергии. Корреспондент ТрВ-Наука Алексей Огнёв побывал в Центре по электрохимическому хранению энергии Сколковского института науки и технологий и попытался выяснить, как будут устроены аккумуляторы нового поколения.
Изображение
В перчаточные шкафы закачан аргон, чтобы электролит и анод не деградировали на воздухе
Сухой аргон в перчаточном шкафу

Мы с аспирантом Максимом Захаркиным спускаемся в подвал четырехэтажного синего корпуса на улице Нобеля в Сколково и входим в электрохимическую лабораторию. Я машинально хочу пожать руку другому аспиранту в белом халате, но внезапно обнаруживаю, что осуществить акт вежливости сложно: аспирант как будто бы в колодках! Присмотревшись, я вижу, что он просто-напросто просунул руки в резиновых перчатках в шкаф с прозрачной стенкой. Я включаю диктофон (кстати, как мне расскажут позже, он работает на щелочных одноразовых батарейках с цинком и диоксидом марганца), и аспирант, не вынимая руки из шкафа, рассказывает о своей работе. Мне уже доводилось брать интервью у роботов и губернаторов, но в таких обстоятельствах я работаю в первый раз в жизни…
Изображение
Андрей Чеканников
— Как Вас зовут?

— Андрей Чеканников.

—Андрей, а что Вы сейчас делаете?

— Я получил от коллег электродный материал для натрий-ионного аккумулятора и намерен его протестировать. Какую емкость он покажет, какое количество циклов заряда-разряда. Для начала я изготовил электродную смесь на основе порошка, сейчас делаю электроды с металлическим натрием. Соберу макетик аккумулятора и понесу заряжать на потенциостатах-гальваностатах.

— И что это за шкаф такой?

— Здесь в боксе атмосфера сухого аргона. Электролит и металлический анод деградируют на воздухе и перестают должным образом работать.

— Аргон — инертный газ, — подключается к беседе Максим. — Он почти не вступает в химические реакции. Чистый металлический натрий не должен взаимодействовать с водой и кислородом. Их концентрация внутри перчаточного шкафа — одна частица на 10 млн атомов аргона. Видите, это число высвечивается на экране. В нашем боксе натрий несколько часов блестит, но потом всё равно покрывается пленкой из-за реакции с водой и кислородом. А на воздухе это происходит моментально. Натрий-ионные аккумуляторы начали исследовать в восьмидесятые годы, но тогда еще не было настолько чистых перчаточных шкафов. Это одна из причин, по которым электрохимики стали серьезно работать с натрием относительно недавно.

— Андрей, почему Вы работаете вручную? Робот не справится?

А. Ч.: Слишком много нюансов. На заводе операции стандартные. А у нас наука, сразу много параметров изменяем.

— Кто производитель этого шкафа?

А.Ч.: Германия.

М. З.: Наша техника в лаборатории в основном закупалась в США и Европе. В России тоже делают перчаточные шкафы, и неплохие. Но там есть свои особенности.

— Кто ваш научный руководитель?

А.Ч.: Профессор Кит Стивенсон, директор нашего Центра. Я его первый аспирант.

М.З.: А я его первый магистрант. У нас с Андреем интервью-собеседование было в один день четыре года назад.

— И сейчас интервью в один день!

А. Ч.: Совпадение? Не думаю…

— Где вы учились раньше?

А. Ч.: Я окончил МЭИ. Поступил туда, потому что это ближайший вуз к моему дому… Шутка! Просто мне всегда была интересна энергетика. Я уже работал в Курчатовском институте и в Институте Физической Химии и Электрохимии Академии наук.

М.З.: Я изначально из Политеха в Питере.

— И когда ваш аккумулятор попадет на рынок?

А.Ч.: Шансы всегда есть. Но это долгая и кропотливая работа.

М. З.: Обратимся к истории. Материал, который сейчас работает в аккумуляторе вашего телефона, в 1980-х предложил Джон Гудэнаф (John Goodenough), в то время руководивший лабораторией неорганической химии в Оксфорде (сейчас он профессор Техасского Университета в Остине). А коммерческие аккумуляторы на его основе впервые начали использоваться только в 1991 году компанией Sony в портативных видеокамерах. Путь из лаборатории до магазина занял 10 лет.

А.Ч.: Причем Гудэнаф был далеко не пионером в этой области. Эксперименты шли еще с начала 1970-х годов.

М.З.: А мы работаем не так уж долго. Но уже есть первые публикации.

— Спасибо, Андрей! Не буду Вас отвлекать… Плодотворного дня!
Изображение
Максим Захаркин подготавливает электрохимическую ячейку для operando эксперимента на рентгеновском дифрактометре
Это интересно: Сейчас аккумуляторы востребованы также в возобновляемой энергетике и автомобилестроении. По дорогам колесит уже больше 3 млн электрокаров. Тренд на рост довольно очевиден. Например, концерн Ford недавно заявил о планах электрифицировать всю свою продукцию к 2030 году, хотя, очевидно, это всё-таки не более чем рекламный ход.
Как приготовить и исследовать электрохимический сэндвич?

Я здороваюсь по-английски с постдоком из Индии и по-немецки с аспирантом из Германии, и мы переходим в соседнюю комнату.

Максим делится рецептом изготовления электрохимического сэндвича, точнее говоря, макета аккумулятора, так называемой ламинированной ячейки (pouch-cell). Нужно положить пропитанный электролитом длинный сепаратор на нанесённый на длинную фольгу катодный материал и накрыть сверху нанесённым на фольгу анодным материалом, свернуть много раз, положить в пластиковый пакет с выведенными наружу токосъёмниками, откачать и запаять. Получится примерно такой же аккумулятор, как в нашем смартфоне, но экспериментальный.

Дальше Максим открывает шкаф с разноцветными пузырьками и баночками.

— Мы закупаем реактивы по всему миру. Видите банки с красными крышками? Их производит Sigma-Aldrich, огромная корпорация. Штаб-квартира расположена в Миссури. После заказа реагенты идут до нас не меньше месяца. Другой поставщик — Русхим. Отечественные вещества дешевле, и, естественно, мы получаем их быстрее.

Порошок перемалывают на «мельнице», чтобы уменьшить размер частиц до сотен нанометров. «Мельница» трясёт, крутит и вертит емкость с порошком и миниатюрными шариками из стали или твердого пластика.

Измельченный порошок несут в печную комнату. Когда мы входим туда, я первым делом замечаю слоган «More than Heat». Здесь при высоких температурах происходит синтез активного материала для аккумулятора. На полках я вижу около 20 приборов. Они похожи на микроволновки, но не все действуют по одинаковому принципу. Печек много, чтобы сотрудники не выстраивались в очередь.
Изображение
Печная комната
— Вот печь с кварцевый трубой, через которую пропускается аргон, — поясняет Максим. — Здесь микроволновый гидротермальный реактор. Закрытый объём нагревается не посредством раскалённой спирали, а с помощью микроволн. Это позволяет уменьшить время синтеза с десятков часов до десятков минут. В маленькой колбе при нагреве более 100оС откачиваем воздух из электродов и солей вакуумным насосом. Как я уже говорил, из составляющих аккумулятора нужно убрать все частицы воды и кислорода.

Дальше нужно изучить свойства синтезированного соединения. В соседней комнате стоят разнообразные приборы. В очередном шкафу с прозрачной стенкой покручивается вперёд-назад дырчатое колесо. В нем шесть отверстий для разных образцов. Это дифрактометр. Рентгеновское излучение позволяет получить дифрактограмму вещества и таким образом выяснить его структуру, химический состав, размер и форму частиц, положение атомов относительно друг друга. По соседству расположен атомно-силовой микроскоп. В качестве зонда используется игла с острием размером до нескольких атомов. А система термогравиметрического анализа с масс-спектрометром позволяет выяснить, как изменяется масса соединения при нагреве.
Изображение
Система термогравиметрического анализа с масс-спектрометром
И, наконец, я вижу шкафы, из которых топорщатся десятки «крокодильчиков»: это потенциостаты-гальваностаты. Здесь экспериментаторы проверяют, как быстро заряжается или разряжается тот или иной электродный материал.
Изображение
Потенциостаты-гальваностаты
Это интересно: На почве развития рынка аккумуляторов цены на литий скачкообразно пошли вверх: тонна карбоната лития Li2CO3 подорожала с $6,5 тыс. в 2015 году до $20-25 тыс. в 2016 году и сейчас стабилизировалась на уровне $15-20 тыс. В то же время лития на планете не так много (по оценкам Deutsche Bank, до 100 млн тонн). Когда он будет исчерпан? На этот счет существуют разные оценки, от панических до весьма оптимистичных, но ясно одно — литию нужно искать альтернативы.
Частица Чили в вашем смартфоне

Максим рассказывает: в основном месторождения лития находятся в Южной Америке. Больше всего лития в Боливии, но крупнейшие объемы добычи — в Чили (около 50%) и Аргентине (около 25%). Кристаллы на берегу соляных озер содержат большое количество хлорида натрия, того самого, которым наполнены наши солонки, но есть там и малая доля карбоната лития; его извлекают с помощью определенных методов очистки, пакуют в контейнеры и на кораблях и самолетах транспортируют в Азию, где на заводах его смешивают с солями переходных металлов и при повышенной температуре синтезируют катодный материал для аккумуляторов. Так что с большой долей вероятности вы носите в кармане частицу соли из Чили или Аргентины.
Изображение
Соляное озеро Лагуна-Верде (Чили). Фото Wikimedia Commons
Типология батареек

По словам Максима, первые перезаряжаемые аккумуляторы были свинцово-кислотными. Именно ими вы пользуетесь, когда поворачиваете ключ зажигания в автомобиле. В 1960-х в электромобилях Ford появились натрий-серные аккумуляторы. Но они высокотемпературные, разогреваются до 300 оС. Для автомобилистов это небезопасно. Сейчас натрий-серные аккумуляторы используют в энергосетях в Японии. Они привлекательны по цене и характеристикам.

Еще одна альтернатива натрию — ванадиевые проточные батареи. Их стали разрабатывать в 1980-е в Университете Южного Уэльса в Сиднее, тогда как раз обнаружили залежи ванадия в Австралии и нашли новые способы его получения в Японии. Этой технологией также занимаются в Сколтехе.

В мире аккумуляторов всё меняется довольно динамично. В «зеленой» энергетике не обойтись без больших аккумуляторов, потому что ветер переменчив, а солнце не светит на фотопластины ночью и в пасмурную погоду. Поэтому энергию нужно запасать. Как ни удивительно, еще несколько лет назад бытовало мнение, что литий-ионные аккумуляторы слишком дороги, чтобы использовать их в энергосетях. Однако сейчас они успешно функционируют, преимущественно в США и Австралии. Кроме того, после отмены атомных электростанций больше 20% энергетики Германии обеспечивают ветер и солнце, и государство охотно субсидирует эту отрасль.

Крупнейшая в мире литий-ионная батарея была установлена фирмой Tesla в Южной Австралии в конце 2017 года. Она состоит из около 500 блоков, имеет ёмкость 100 мегаватт-часов и запитывается от ветряной электростанции. Особый бот рассчитывает, когда выгоднее заряжать и разряжать гигантский аккумулятор, чтобы продавать энергию дороже.
Изображение
Крупнейшая в мире литий-ионная батарея (Австралия). Фото David Clarke
Это интересно: Натрий – один из наиболее перспективных металлов для создания аккумуляторов. В недрах планеты натрия на три порядка больше, чем лития, так что он существенно дешевле (на два порядка). Однако натрий тяжелее лития, а объем запасаемой в натрий-ионных аккумуляторах энергии на данный момент в два раза меньше, чем в литий-ионных. Поэтому уже более пяти лет ученые активно ищут предел возможностей натрий-ионных аккумуляторов и способы их усовершенствования.

Поговорим о теории аккумуляторов

В кафе красного корпуса под звуки кофемолки (к счастью, она ещё не измельчает зерна в нанопыль) мы беседуем с постдоком Дмитрием Аксёновым. Он отвечает за компьютерное моделирование, виртуальный эксперимент. Дмитрий говорит, что с детства испытывал любопытство ко всему новому и неизвестному. Его дед был учителем физики, бабушка — учителем математики, отец окончил Физтех и работает инженером-электронщиком, занимается геофизикой. Дмитрий учился и защитил диссертацию в Белгородском государственном университете. Там он занимался титановыми сплавами для зубных имплантатов в вузовском Центре наноструктурных материалов и нанотехнологий.
Изображение
Дмитрий Аксёнов демонстрирует натрий-ионную электрохимическую ячейку после экспериментов при повышенных температурах.
— С точки зрения биосовместимости чистый титан – идеальный материал, — говорит Дмитрий. — Но он недостаточно прочен. Если наноструктурировать титан, можно поднять прочность. Есть закон Холла — Петча, который указывает, что прочность металлов увеличивается с уменьшением размеров кристаллических зерен. Но тогда мы начинаем проигрывать в термодинамической стабильности. В течении длительного времени имплантат может потерять прочность даже при температуре человеческого тела. Мы пришли к тому, что нужно легировать материал, добавлять элементы, увеличивающие стабильность структуры. Легирование широко используется в материаловедении: небольшая концентрация элемента сильно меняет свойства вещества. Лучший пример – вся микроэлектроника. Кремний очень плохо проводит электрический ток. Но при добавлении небольшого количества фосфора или бора мы можем создать либо электронную, либо дырочную проводимость. Это позволяет создавать диоды, транзисторы, и в конечном счете интегральные микросхемы, включая микропроцессоры наших смартфонов.

— Как Вы решили работать в Сколтехе?

— На самом деле медицина мне особо не близка. Мне нравится электроника. Я решил сменить тему. Есть вполне конкретная проблема: телефоны и электромобили быстро разряжаются. Как это исправить? Я подумал: раз я уже защитил кандидатскую, и стал свободным человеком, то волен заниматься тем, чем хочу. Как раз здесь в Сколтехе была открыта позиция постдока по изучению катодных материалов литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов. Мне посоветовали группу профессора Андрея Жугаевича, куратора магистерской программы «Материаловедение» в Сколтехе. Я сменил объект исследования, но не методы. Используемый мной квантово-механический метод, описывающий вещество на уровне атомных ядер и электронов, позволяет заглянуть «внутрь» катодных материалов, понять что в них происходит, и предложить лучшие варианты.

— Ваша работа — промышленный заказ или чисто теоретический интерес?

— Помимо совместной работы с коллегами из Центра электрохимии Сколтеха по нескольким проектам, я выиграл грант РФФИ. Это мой собственный инициативный проект. В первую очередь работа фундаментальная. Тут какой простор есть? Есть катодный материал, а к нему можно подбирать легирующие элементы. Есть все основания предполагать, что даже в небольшой концентрации, они будут существенно улучшать его характеристики.

— Каковы перспективы натрий-ионных аккумуляторов?

— В будущем они могут потеснить литий-ионные аккумуляторы или занять свою, новую нишу, но на сегодняшний день натрий-ионные аккумуляторы экономически особо не выгодны. Основных преимуществ два. Во-первых, сам натрий, как вы уже знаете, гораздо дешевле, чем литий. Во-вторых, на аноде литиевого аккумулятора используется медный токосъёмник, а для натриевого аккумулятора можно использовать алюминий. Это тоже снижает цену.

Но есть и существенные минусы. Во-первых, натрий тяжелее лития. Он находится ниже по таблице Менделеева. Во-вторых, напряжение в натриевых аккумуляторах тоже ниже: скажем, 3,3 вольта вместо 3,6 вольта для лития. В итоге запасаемая энергия натриевых аккумуляторов на 30-50% меньше. Если посчитать стоимость единицы запасаемой энергии, то для натриевых аккумуляторов она окажется такой же, как для литиевых, либо даже немного выше. Нет смысла перенастраивать существующие производства под натрий, если никто не выигрывает. Поэтому нам нужно улучшить характеристики натриевых аккумуляторов, в первую очередь увеличить запасаемую энергию.

— А каким образом?

— Есть ряд материалов, позволяющих достичь более высоких катодных напряжений: 4–4,5 вольта.

— Что это за материалы?

— Первый материал, который был коммерциализирован в литиевых аккумуляторах – оксид кобальта LiCoO2. Потом был предложен железофосфат лития LiFePO4. Он уже используется в аккумуляторах, у них есть свои преимущества и недостатки. Стали искать другие материалы в этом направлении. Например, рассматривается Li2FePO4F, фторидофосфат железа-лития. На один атом железа два атома лития. Теоретическая емкость больше.

С натрием всё по аналогии. Можно использовать оксиды: NaCoO2, NaNiO2. Обязательно должен быть переходный металл. Точно так же пробуют фторидофосфаты, например Na2FePO4F, Na2CoPO4F, где вместо кислорода используется полианионная группа PO4F. Можно использовать другие полианионные группы, такие как силикаты на основе SiO4 или бораты BO3. Очень много вариантов. Например, FeSO4F или CoSO4F – структуры, которые будут давать очень высокий потенциал, и по запасаемой энергии могут конкурировать с литиевыми аналогами. Но проблема в том, что электролит не выдерживает эти высокие потенциалы, начинает разлагаться, становится нестабилен.

— Как решить эту проблему?

— Раньше основные усилия ученых были направлены на то, чтобы создать новые хорошие материалы для анода и для катода. В особенности много занимались катодом. Но помимо материалов как таковых, есть такая важная вещь, как интерфейс – граница раздела между анодом/катодом и электролитом. Очень важно, какие процессы там происходят. Как это ни странно, это в гораздо меньшей степени известно.

Разложение электролита на поверхности — одна из главных причин, по которым аккумулятор выходит из строя. Образуются вредные фазы, которые впоследствии мешают работе аккумулятора. Ионы просто не проходят сквозь кристаллическую решетку. Есть известное для материалов физическое явление: сегрегация (накопление) элементов на границах раздела. Легирующие элементы часто имеют тенденцию скапливаться на этих дефектах. Мы будем изучать влияние сегрегации легирующих элементов на процесс разложения электролита на границе раздела между катодом и электролитом.

В первую очередь перед нами стоит задача провести компьютерное моделирование, чтобы идентифицировать те элементы, которые будут накапливаться на поверхности раздела между катодом и электролитом и приводить к стабилизации этой поверхности, то есть уменьшать ее химическую активность и таким образом препятствовать разложению электролита на этой поверхности. Здесь сейчас наш интерес.

P. S. Гром и молнии, скорее отправляю этот материал на согласование, а то на нетбуке батарея иссякает! Хотя многое еще не сказано… А пока жив мой плеер, включу для разрядки «Нирвану». Песню Lithium.
Магистерская программа Сколтеха «Материаловедение»

Двухгодичный образовательный курс, направленный на освоение студентами знаний и умений в области разработки новых материалов и устройств, актуальных для российской и мировой индустрии. Учебная программа включает в себя как базовые разделы современной науки о материалах, так и продвинутые курсы, позволяющие студентам уже в процессе обучения подключиться к инновационным исследованиям и разработкам материалов для оптоэлектроники и устройств хранения и преобразования энергии. Выпускники программы востребованы в научно-исследовательских центрах, в отделах разработки компаний, работающих в секторах электроники, энергетики, химической индустрии, автопромышленности и других секторах, имеющих дело с разработкой, внедрением или эксплуатацией продвинутых или сложных материалов.
Изображение
Кит Стивенсон
Комментирует Кит Стивенсон (Keith Stevenson), проректор Сколтеха по исследованиям, директор Центра электрохимического хранения энергии и Центра энергетических систем:

— Наша магистерская и докторская программа по материаловедению дает обязательные и факультативные курсы, которые ведут сотрудники трех Центров Сколтеха (CREI) — Центра по электрохимическому хранению энергии, Центра фотоники и квантовых материалов и Центра проектирования, производственных методов и материалов. Помимо специализации программа включает экспериментальные и вычислительные факультативы, уникальные для российских университетов, и даже для мировой практики. В числе других компонентов программы — иммерсивная производственная практика и компоненты, связанные с предпринимательством и инновациями.

Больше о поступлении: msc.skoltech.ru/materialovedenie

Алексей Огнёв
Фото Виталия Шустикова
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#920   morozov » Пт май 04, 2018 22:16

Белые медведи – нанотехнологи

Благодаря развитию нанотехнологий у одежды появляются новые функции. Добавки наноматериалов в волокна на стадии производства или последующего модифицирования придают текстильным тканям из таких волокон антистатические, водоотталкивающие, антибактериальные свойства, обеспечивают защиту от ультрафиолетового излучения, от действия отравляющих веществ, от электромагнитных полей (подробнее см. ПерсТ [1]). Тем не менее, в числе важнейших задач по-прежнему остается создание удобной, “дышащей” одежды с хорошими теплоизоляционными свойствами. Один из ярких примеров такой “одежды” в природе – шуба белого медведя, обитающего в суровых условиях Арктики. Исследователи из Zhejiang Univ. (Китай) предложили метод создания волокон, имеющих такие же теплоизоляционные свойства [2]. Структура шерстинок медвежьей шубы показана на рис. 1. Внутренняя микропористая область окружена оболочкой, которая обеспечивает механическую прочность.
Изображение
Рис. 1. а - Белый медведь и (b,c) - микропористая структура его шерстинок.
Получить синтетические волокна с аналогичной структурой, конечно, можно, но проблема заключается в том, что для производства ткани необходимы длинные, непрерывные нити. “Freeze-spinning” метод создания пористого волокна, предложенный авторами [2], сочетает формование нити из раствора с замораживанием и в принципе годится для промышленного использования. Для практической проверки метода исследователи использовали фиброин – белок, составляющий основу шёлка шелкопряда, к которому добавляли небольшое количество хитозана, чтобы модифицировать пористую структуру, а также обеспечить механическую прочность.

Формование нити происходило при экструзии водного раствора смеси фиброина и хитозана через прядильное отверстие и охлаждении до отрицательных температур с помощью медного кольца. Когда жидкая нить проходила через холодное кольцо, начинали расти пластинчатые кристаллы льда (рис. 2). Замороженное волокно затем сушили в вакуумной камере. При сублимации льда образовывались требуемые продольно ориентированные микропоры.
Изображение
Рис. 2. Схема “freeze-spinning” метода [2] получения биомиметического волокна и ткани.
В зависимости от условий процесса (концентрации раствора, скорости экструзии, температуры) можно получать волокна с разной микропористой структурой; пористость достигает 87%. На рис. 3 показано, как зависят поперечные размеры и расположение продольно
ориентированных пор от температуры.

Исследователи получили достаточно длинные нити (фото на рис. 3) и соткали кусочки ткани. Теплоизоляционные свойства оказались отличными. Даже для одного слоя биомиметического текстиля (~0.4 мм) разница между температурой подложки, на которой лежал образец, и температурой поверхности образца |DT| составила всего 7.9оС для -20оС и 8.2оС для +80оС. Отдельные эксперименты показали, что текстиль очень прочный и “дышащий”.
Изображение Изображение

Рис. 3. Фотография катушки с биомиметическим волокном и SEM изображения сечений волокон, полученных при разных температурах (-40, -60, -80, -100оС).


Ткань из биомиметического волокна не только сохраняет тепло, но и делает объект невидимым для ИК камер. На рис. 4a приведены фотографии и ИК-изображения неукрытого кролика и кролика в “одежде” из полиэфирных волокон и волокон, имитирующих шерсть белого медведя (толщина ткани в обоих случаях 0.4 мм). Кролик в “медвежьей шкуре” остается практически невидимым при температуре окружающей среды от -10 до +40 оС (рис. 4b).
Изображение
Рис. 4. Стелс-текстиль: a - оптические и ИК-изображения неукрытого кролика и кролика, укрытого тканью
из полиэфирных и биомиметических волокон; b - кролик, укрытый биомиметическим стелс-текстилем,
невидим для ИК-камеры при разных температурах окружающей среды (40, 15, -10оС).
Китайские исследователи показали, что новый материал можно использовать не только для пассивной теплоизоляции, но и для активного терморегулирования. Достаточно добавить к исходному раствору углеродные нанотрубки. Такой модифицированный текстиль можно быстро и равномерно нагреть (рис. 5). Достаточно приложить напряжение 5 В, чтобы температура уже через 45 сек поднялась с 24 до 36.1оС.
Изображение
Рис. 5. a - Оптическое и SEM изображения текстиля с добавками углеродных нанотрубок. b - ИК-изображения текстиля во время нагрева.
c - Рост температуры в зависимости от времени для напряжений 1, 3 и 5 В, прикладываемых к образцу размером 5´2 см.
Полученные результаты показывают, что разработанный авторами [2] “freeze-spinning” метод синтеза биомиметического микропористого волокна позволяет получать текстиль, который обладает отличной теплоизоляцией, может быть использован для активного терморегулирования/нагрева, и в то же время остается мягким, удобным, дышащим материалом для одежды.

О. Алексеева

1. ПерсТ 23, вып. 23/24, с.4 (2016).

2. Ying Cui et al., Adv. Mater. 30, 1706807 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#921   morozov » Вс май 06, 2018 22:41

Ученым удалось рассмотреть область формирования джета в далекой галактике Персей А

Международная команда исследователей, включающая учёных ФИАН, МФТИ и МГУ, с беспрецедентной точностью визуализировала образование струи плазмы в окрестности массивной чёрной дыры. Радиоизображение, сделанное с помощью комбинации телескопов в космосе и на Земле, позволило восстановить структуру струи с потрясающей детализацией на уровне всего лишь в пару сотен радиусов чёрной дыры. Астрономам впервые удалось достичь такого разрешения. Полученные данные заставляют астрофизиков пересмотреть устоявшиеся взгляды на формирование джетов. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Изображение

Коллаж схематически показывает наземно-космический интерферометр «Радиоастрон» (сигналы отдельных телескопов объединяются при помощи интерференции радиоволн) слева и восстановленное изображение струи в галактике «Персей А», изображённое в псевдоцвете. Размер в треть светового года показан справа жёлтой линией.
Источник: Юрий Ковалёв
Массивные чёрные дыры в центрах галактик превосходят массу Солнца в миллиарды раз. Уже давно известно, что некоторые из этих массивных чёрных дыр выбрасывают струи плазмы, которая течёт со скоростью, близкой к скорости света. Такие струи плазмы, называемые джетами, формируются в окрестности чёрной дыры и могут выходить далеко за пределы родной галактики. Над вопросом о том, как формируются джеты, астрофизики бьются многие годы. Долгое время не было технической возможности увидеть структуру этих струй достаточно близко к месту их зарождения, что необходимо для прямого сравнения информации, полученной из наблюдений, с теоретическими моделями образования джетов. Полученные из наблюдений «РадиоАстрона» данные позволят проверить теоретические модели и зададут дальнейшее направление их развития.

По сей день учёными обсуждаются базовые гипотезы формирования выбросов плазмы в галактиках. Есть две конкурирующие идеи, которые были предложены ещё на рубеже 70–80-х годов прошлого века.
Изображение

Фантазия художника на тему «Центр активной галактики с аккреционным диском
и яркой узкой симметричной струёй».
Источник: Вольфганг Штеффен, Институт астрономии
Национального автономного университета Мексики
Одна – модель Блэнфорда-Знаека. В центре галактики находится сверхмассивная чёрная дыра массой в миллиарды масс Солнца. Она вращается, вокруг нее вращается аккреционный диск. Часть падающего на неё из аккреционного диска вещества, которая не засасывается чёрной дырой, выбрасывается наружу в виде струи. То есть узкий джет формируется благодаря крутящему моменту, получаемому от центральной сверхмассивной чёрной дыры.

С этим представлением многие годы конкурировала модель Блэнфорда-Пейна. В рамках этой модели считается, что формирование горячих выбросов плазмы возможно через крутящий момент, уносимый от аккреционного диска. То есть сама черная дыра не играет ключевую роль в формировании джета.

До последнего времени астрофизики, занимающиеся далекими галактиками, отдавали предпочтение модели Блэнфорда – Знаека: они склонялись к тому, что джеты в галактиках формируются центральной сверхмассивной чёрной дырой.

Международная команда исследователей из восьми стран с помощью космического телескопа «РадиоАстрон» получила изображения джета, зарождающегося в окрестности центральной чёрной дыры галактики «Персей A» с ультравысоким угловым разрешением. Астрономам удалось получить детальное изображение основания джета в 10 раз ближе к границе чёрной дыры, чем это было возможно с наземными инструментами. Впервые получилось выявить новые детали области формирования струи.

Полученные данные являются серьёзным аргументом в пользу гипотезы о том, что джет может формироваться с участием аккреционного диска. Возможно, что вклад в этот процесс от аккреционного диска даже является основным.

«Мы публикуем первую карту "РадиоАстрона" для объекта, находящегося так близко к нам. Из-за его близости реализуемое линейное разрешение составляет величину всего лишь 12 световых дней на расстоянии 70 мегапарсек, или 230 миллионов световых лет! Благодаря такому беспрецедентному разрешению „РадиоАстрона“ мы увидели, что джет сразу стартует широким и имеет цилиндрическую форму. Быть с самого начала широким он может только при условии, если в его формировании значительную роль сыграл аккреционный диск. Это первый результат, который указывает на важность вклада диска», — комментирует соавтор этих результатов, заведующий лабораторией ФИАН и в МФТИ, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев.
Изображение

Радиоизображение джета в галактике «Персей А», полученное «РадиоАстроном».
Источник: Юрий Ковалёв и др., Nature Astronomy
Раньше, из-за ограничения параметров наземных телескопов, астрономы не имели такого высокого углового разрешения при наблюдении джетов, поэтому не могли измерить ширину джета в его основании. Из-за этого, общепринятой точкой зрения являлось то, что джеты стартуют узкими, и, следовательно, они формируются центральной чёрной дырой.

Благодаря возможностям «РадиоАстрона», авторы работы обнаружили, что ширина джета в самом основании составляет порядка тысячи радиусов Шварцшильда (этот радиус определяет размер горизонта событий чёрной дыры). А ведь, согласно устоявшимся представлениям, размер джета у его основания должен быть как минимум на порядок меньше.

«Это может означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи запускается с аккреционного диска, окружающего чёрную дыру. Наш результат ещё не опровергает текущие гипотезы, в которых джеты запускаются из эргосферы – области пространства рядом с вращающейся чёрной дырой. Но, надеюсь, он даст теоретикам представление о структуре струи вблизи места запуска и подскажет, как модернизировать модели», — заключает доктор Туомас Саволайнен из Университета Аалто в Финляндии.

Для справки

В рамках международного проекта «РадиоАстрон» в 2011 году на околоземную орбиту был запущен космический радиотелескоп. Главный элемент аппарата – 10-метровое зеркало. При запуске оно было в сложенном состоянии, чтобы габариты не превышали 3,5 метра – диаметр ракеты. При выходе на расчётную орбиту 27 лепестков раскрылись и сформировали параболоид вращения размером 10 метров с точностью 1 миллиметр. Этот телескоп был построен Научно-производственным объединением им. Лавочкина. Головной научной организаций является Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, руководитель проекта – академик РАН Николай Кардашёв.
Изображение

Космический телескоп проекта «РадиоАстрон» готовится к запуску.
Источник: Юрий Ковалёв

«"РадиоАстрон" реализует рекордное угловое разрешение до нескольких микросекунд дуги, эквивалентное радиотелескопу диаметром 350 000 км – почти расстояние между Землёй и Луной. На Земле с нами работает до 40 крупнейших радиотелескопов по всему миру. Сигналы отдельных телескопов, синхронизированные с помощью атомных часов, объединяются вместе в интерферометре для получения изображения при помощи специализированной обработки данных», — рассказывает Юрий Ковалев.
Изображение

Наземные радиотелескопы, участвовавшие в наблюдениях «РадиоАстрона».
Источник: Пол Боуэн

АНИ «ФИАН-информ», совместно с пресс-службами МФТИ и МГУ
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#922   morozov » Чт май 10, 2018 16:09

Моноэнергетические нейтрино
1 мая 2018

Как правило, в ускорительных нейтринных экспериментах начальные энергии нейтрино неизвестны и могут быть найдены лишь посредством изучения продуктов реакций. Между тем, наличие источника моноэнергетических нейтрино было бы крайне полезно, например, для исследования ядер и поиска стерильных нейтрино. Одним таких источников являются распады каонов K+ в состоянии покоя. В эксперименте коллаборации MiniBooNE, выполняемом в Национальной лаборатории им. Э. Ферми (США), получены и впервые зарегистрированы нейтрино с фиксированной энергией 236 МэВ от распадов K+ → μ+νμ. Мезоны K+ рождались при соударении пучка протонов с мишенью, а рассеяние K+ в металлическом поглотителе приводило к их замедлению почти до нулевой скорости. Моноэнергетические νμ приходили в детектор из поглотителя на ≈ 200 нс позже, чем фон немоноэнергетических νμ, рождающихся в других частях установки (в мишени и в распадной трубе), что позволяло выделять моноэнергетические νμ по времени. Статистическая значимость регистрации моноэнергетических νμ составила 3,9σ. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 141802 (2018)

Исследование материалов для термоядерных реакторов
1 мая 2018

В институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН создан уникальный экспериментальный стенд BETA (Beam of Electrons for materials Test Applications), на котором можно изучать воздействие экстремальных тепловых нагрузок на конструкционные материалы, планируемые к использованию в Международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. Внутренние элементы дивертора ИТЭР будут подвержены частому резкому нагреву (термическим ударам), поэтому важно изучить стойкость их поверхности. В отличие от большинства более ранних исследований, установка BETA позволяет изучать быстрый нагрев поверхности не только после его завершения, исследуя извлеченные из установки образцы, но и в реальном времени — непосредственно во время самого воздействия и сразу же после него. Применение электронного пучка вместо лазерных импульсов или ускоренных потоков плазмы позволяет избавиться от мешающей засветки и широко использовать различные оптические методы диагностики поверхности. Эксперименты на стенде BETA выполняются объединенным коллективом сотрудников и аспирантов Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета и поддержаны Российским научным фондом (проект № 17-79-20203). Основой BETA является оригинальный источник мощного электронного пучка с дуговым плазменным эмиттером. Его импульсы длительностью 100-300 мкс способны воспроизводить на поверхности вольфрамовой мишени тепловой удар с плотностью мощности до 15 ГВт/м2 на площади ≈ 1 см2. На ту же мишень направляется луч лазера, и с помощью ПЗС-камер наблюдается отражённый свет, причём прямой луч затенен, а наблюдается только окружающее его диффузное гало, производимое рассеянием излучения лазера от неровностей и дефектов. Сначала было исследовано воздействие импульсов, которые нагревают вольфрам не выше температуры плавления. Воздействие электронного импульса приводило к двум последовательным повышениям коэффициента рассеяния. Первое из них имело место одновременно с электронным импульсом, когда резкий рост температуры вызывал вспучивания поверхности с характерными размерами порядка размеров зёрен в структуре вольфрама. Однако из-за охлаждения и обратной упругой деформации неоднородности в значительной степени сглаживались и коэффициент рассеяния снова уменьшался. Неожиданным оказалось то, что спустя примерно 1 с после импульса коэффициент рассеяния снова резко возрастал и далее оставался постоянным. Повторное повышение объясняется появлением на поверхности необратимых растрескиваний, однако пока неизвестна причина столь большой задержки по времени. Затем были выполнены эксперименты с более мощными импульсами, нагревающими вольфрам значительно выше температуры плавления. Был отмечен интенсивный поток микрокапель вольфрама с размерами 2-7 мкм с поверхности. С помощью ПЗС-камер, выполняющими наблюдения под тремя углами, регистрировались 3D-траектории вылетающих микрокапель. Их появление объясняется плавлением поверхности и распространением нагрева вглубь материала. При остывании (за счёт испарения) температура под поверхностью становится выше, чем на ней. Это вызывает вскипание перегретой жидкости с выбросом микрокапель. Эксперимент позволяет оценить устойчивость стенок будущих термоядерных реакторов к быстрым выбросам плазмы (ЭЛМ-событиям) и другим подобным воздействиям. Источники: Physica Scripta 93 035602 (2018), Пресс центр ИЯФ СО РАН

Измерение модульных переменных
1 мая 2018

Так называемые модульные квантовые переменные, связанные с периодическими функциями, впервые обсужали Y. Aharonov, H. Pendleton и A. Petersen в 1969 г. в контексте эффекта Ааронова – Бома. Эти переменные выделяются из обычных переменных операцией, аналогичной взятию остатка от деления, и соответствующие им операторы могут коммутировать, даже если исходные операторы были некоммутирующими. C. Fluhmann (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха) и его коллеги выполнили измерения модульной координаты и модульного импульса у захваченного в ловушку иона 40Ca+. Спиновые уровни иона образовывали кубит, квантовое состояние которого было вовлечено в процесс измерения. На ион оказывалось периодическое воздействие импульсами лазера и регистрировалось флуоресцентное излучение от переходов между уровнями иона, совершающего колебания в ловушке. Измерение временных корреляторов для модульных переменных показало нарушение неравенства Леггетта – Гарга, а также было продемонстрировано влияние предшествующих измерений серии на результат последующих измерений. Источник: Phys. Rev. X 8 021001 (2018)

Конденсация поверхностных плазмонных мод
1 мая 2018

Исследователи из Хельсинкского политехнического института (Финляндия) получили бозе-эйнштейновский конденсат поверхностных плазмонных мод, представляющих собой комбинацию фотонов и плазменных колебаний, которые возбуждались в двумерном массиве золотых стержней нанометрового размера при комнатной температуре. Массив был создан T.K. Hakala и др. методом электронно-лучевой литографии на поверхности стеклянной пластины и погружен в раствор органических молекул, посредством которых осуществляется слабая связь между поверхностными возбуждениями. Край массива освещался лазерными импульсами накачки, и с помощью CCD-камер наблюдался спектр возбуждений вдоль поверхности всего массива. Конденсат существует в течение всего лишь нескольких пс, но он успевает термализоваться через взаимодействия с раствором, и излучает короткие импульсы света. В эксперименте был продемонстрирован переход (кроссовер) от излучения конденсата Бозе – Эйнштейна к обычной лазерной генерации. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 16 апреля 2018 г.

Влияние нейтрино на спектр барионных акустических осцилляций
1 мая 2018

Недавно в спектре микроволнового фонового излучения был обнаружен сдвиг фаз, вызванный воздействием фона реликтовых нейтрино на акустические волны, существовавшие в ранней Вселенной. Дополнительный сдвиг фаз повлиял на положение акустических пиков в спектре. Реликтовые нейтрино составляли около 41 % плотности энергии в ранней Вселенной и, подобно реликтовому излучению, они являются остатком горячей стадии её эволюции. Распределение галактик в больших масштабах также было промодулировано акустическими волнами, поэтому волны галактик должны нести в своём спектре аналогичный фазовый сдвиг. D. Baumann (Амстердамский университет, Нидерланды) и др. сообщили о первом измерении нейтринного фазового сдвига в распределении галактик по данным обзора BOSS DR12, который включает 1198006 галактик на красных смещениях z=0,2-0,75. Ненулевой сдвиг фазы выявлен с достоверностью более 95 %. Тем самым, получено еще одно подтверждение стандартной космологической ΛCDM-модели. Источник: arXiv:1803.10741 [astro-ph.CO] 100601 (2018)

Протоны из магнитосферы Юпитера?
1 мая 2018

С помощью детектора PAMELA, работающего на борту российского спутника «Ресурс-ДК», исследованы вариации потока протонов из состава космических лучей. Помимо периодичности, связанной с 11-летним циклом солнечной активности, неожиданная и хорошо выраженная периодичность с квазипериодом ≈ 450 дней была найдена при жесткостях геомагнитного обрезания ниже 15 ГВ. По мнению исследователей, эта периодичность могла возникнуть благодаря Юпитеру, в мощной магнитосфере которого происходит ускорение протонов. Эти протоны достигают Земли и дают небольшой вклад в общий поток космических лучей. Ранее в других наблюдениях уже были получены свидетельства того, что в магнитосфере Юпитера имеет место ускорение электронов (они регистрируются в минимумах 11-летних циклов), а при вспышках, возможно, генерируются потоки протонов и ядер гелия. Ввиду погрешностей измерений, реальный период может оказаться меньше ≈ 450 дней и соответствовать орбитальному периоду Юпитера ≈ 400 дней. Тем не менее, другие объяснения пока также не исключены. Источник: Astrophys. J. Lett. 852 L28 (2018)
Новости не опубликованные в журнале


Гелий в атмосфере экзопланеты
2 мая 2018

С помощью телескопа Хаббл впервые зарегистрированы молекулы гелия в атмосфере экзопланеты — планеты, обращающейся вокруг далекой звезды за пределами солнечной системы. Гелий был найден во время прохождения экзопланеты через диск звезды по поглощению в ближней инфракрасной области спектра. Экзопланета WASP-107b находится на удалении 200 световых лет от Земли. По размеру она близка к Юпитеру, хотя имеет всего 12 % его массы. Сильная особенность в спектре, вызванная гелием, свидетельствует о большой протяженности атмосферы и высоком темпе потери ею массы (рассеяния в окружающее космическое пространство), причем рассеянный газ должен образовывать за планетой шлейф, напоминающий кометный хвост. Источники: Nature 557 68 (2018), www.sciencedaily.com
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#923   morozov » Вт май 15, 2018 12:33

Все ли мы знаем про полоскание?

Казалось бы, физика процессов стирки уже давно известна – стиральный порошок является поверхностно-активным веществом (ПАВ), и, уменьшая поверхностное натяжение, он позволяет воде проникать в поры ткани и вымывать оттуда грязь. Полоскание считается второстепенным процессом – это вымывание из ткани самого порошка. Но в тканях существуют настолько тонкие капилляры (рис. 1), что даже со стиральным порошком грязь смыть не так-то просто, приходится прибегать к различным ухищрениям – интенсивная механическая работа или ультразвук.
Изображение

Рис. 1. Двухпоровая структура ткани, крупные поры – между волокнами, более мелкие – между нитями внутри самого волокна. Стойкие пятна образуются при попадании микрочастиц грязи в эти мелкие поры. Приведены характерные площади сечения пор. [1]
Конечно, технический прогресс сделал стиральные машины доступными большинству, но исследования в области механики и оптимизации этих процессов идут и по сей день. Так, большой резонанс в научном сообществе произвела недавняя статья [1] группы американских и английских ученых. В ней процессу полоскания уделено более пристальное внимание и предложен новый механизм вымывания грязи из пор ткани, основанный на явлении диффузиофореза – движении частиц под влиянием градиента концентрации. Явление диффузиофореза было открыто еще в 1947 г. академиком Б.В. Дерягиным [2] и с тех пор нашло множество применений. Движущей силой в диффузиофорезе является градиент концентрации некоторого вещества; в процессе стирки таким веществом может служить само ПАВ, а градиент концентрации создается за счет помещения ткани с ПАВ в чистую воду. Эта, казалось бы, простая, но далеко не очевидная идея послужила основой для исследований, представленных в статье [1]. Самым ярким экспериментальным результатом этой работы является опыт с тканью, окрашенной красителем (рис. 2). В первом случае окрашенный образец ткани смачивали в растворе ПАВ определенной концентрации и после высушивания механически полоскали в чистой воде. Во втором случае полоскание производили в растворе ПАВ такой же концентрации, каким он был смочен, и в третьем случае было просто полоскание водой без ПАВ. Результат виден воочию.
Изображение

Рис. 2. Результаты стирки [1]:
а - образец, смоченный в растворе ПАВ и выполосканный в чистой воде; б - образец, смоченный раствором ПАВ и выполосканный таким же раствором;
в - контрольный образец, смоченный водой и выполосканный в воде.
Конечно, в статье [1], кроме описанного опыта, представлено еще теоретическое обоснование и моделирование процессов, которые не оставляют сомнений в важности влияния градиента концентрации на выход микрочастиц из узких пор. Эти исследования могут дать возможность оптимизировать процессы стирки в стиральных машинах, сделать их более экономичными и менее шумными. Лично меня, как хозяйку, порадовало, что найдено обоснование одного из “бабушкиных советов” - сначала хорошенько намылить пятно, не замачивая, а потом тщательно прополоскать в холодной воде. Думаю, что внедрения этих идей в повседневную практику долго ждать не придется, тем более что один из авторов работает в исследовательском центре компании Unilever – крупнейшего производителя бытовой химии.

З. Пятакова

1. S.Shin et al., Phys. Rev. Appl. 9, 034012 (2018).
2. Б.В.Дерягин и др., Коллоидный журнал 9(5), 338 (1947).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#924   morozov » Ср июн 06, 2018 18:08

Звездный метаматериал с отрицательным коэффициентом Пуассона

Так называемые механические метаматериалы – это особый класс структур, проявляющих уникальные свойства благодаря именно своим структурным особенностям, а не химическому составу. Уже показано, что свойства таких материалов могут достигать теоретически предсказанных пределов. Пример такой структуры предложен в работе [1], где исследователи методом конечных элементов изучили механические свойства материалов с необычной структурой (рис. 1). Авторы назвали эти материалы “звездными”, поскольку поры (показаны белым цветом) по своей конфигурации напоминают звезды. На основе предложенных схем с помощью 3D принтера были изготовлены прототипы новых структур и все исследования проводились, как экспериментально, так и теоретически.
Изображение
Рис. 1. Верхний ряд изображений представляет схему трех структур,
нижний ряд – соответственно прототипы структур, созданные с помощью 3D принтера.

Было показано, что все эти структуры имеют коэффициент Пуассона, изменяющийся от 0 до -1. Такие необычные материалы называются ауксетиками. В данном случае они изотропны, что является довольно редким явлением. При растяжении поры в структуре раскрываются, что приводит к увеличению размеров структуры, как в направлении растяжения, так и в поперечном направлении, что и является отличительной чертой материалов-ауксетиков. В данном случае ауксетичность проявляется благодаря высокосимметричному и регулярному расположению пор-звезд. Изменяя эти показатели можно, следовательно, управлять величиной коэффициента Пуассона. Универсальность данных материалов открывает широкие перспективы их применения, например, в биомедицине для создания стентов, где требуется их раскрытие для расширения стенок сосудов.

Ю. Баимова

1. L.Mizzi, et al., Materials & Design 146, 28 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#925   morozov » Чт июн 14, 2018 20:05

Крепкий орешек: наночастицы типа “core-shell” из феррита висмута

Наночастицы со структурой ореха “core-shell”, состоящие из оболочки и ядра с различающимися физическими, химическими и биологическими свойствами привлекают интерес исследователей в связи с многообещающими приложениями в различных практических областях, прежде всего в медицине [1]. Если речь идет о магнитных наночастицах, то ядро, как правило представляет собой магнитожесткий материал с большой анизотропией и коэрцитивной силой, а оболочку синтезируют из магнитомягкого материала с большой намагниченностью. Магнитные моменты атомов оболочки оказываются жестко привязанными к магнитным моментам ядра за счет обменного взаимодействия, в результате получаются частицы с усиленными магнитными свойствами.

Изображениеа

Изображениеб

Рис.1. Наночастицы BiFeO3 типа “core-shell” [2]: а - схематическое изображение наночастицы: антиферромагнитная сердцевина окружена оболочкой из того же материала, но находящегося в состоянии спинового стекла;

б - петли гистерезиса при различных температурах (на вставке виден сдвиг петель за счет обменного взаимодействия спинов атомов ядра и оболочки). Частицы диаметром 18 нм перед измерениями охлаждались в магнитном поле около 65 кЭ.

Для того чтобы создавать такие структуры, не обязательно прибегать к использованию двух материалов: в качестве ядра и оболочки может выступать одно и то же вещество, но в разных магнитных состояниях. Так, в недавней работе [2] ученые из Nanjing Univ. (Китай) исследовали магнитные свойства наночастиц высокотемпературного мультиферроика феррита висмута BiFeO3, в которых такая структура образуется естественным образом. Предполагается, что внутри частицы он ведет себя как антиферромагнетик с большой магнитной анизотропией, а вблизи поверхности за счет разорванных обменных связей происходит переход к ферромагнитному состоянию с ненулевым магнитным моментом (рис. 1а). Однако систематических исследований магнитных свойств наночастиц феррита висмута различных диаметров не проводилось. Более детальное изучение температурных зависимостей намагниченности и эффективного поля обменного смещения, заметного по петлям гистерезиса (рис. 1б), выявило для частиц меньше 20 нм поведение, характерное для упорядочения типа “спиновое стекло” с немонотонной зависимостью и “эффектом тренировки” (training effect), т.е. зависимостью поля обменного смещения от числа циклов перемагничивания.

Отдавая должное тщательности и объемности проведенной экспериментальной работы, отметим все же, что авторы пользуются несколько упрощенными представлениями об антиферромагнитной структуре феррита висмута, считая его полностью компенсированным антиферромагнетиком, в то время как его намагниченность за счет неколинеарности спинов магнитных подрешеток составляет ~ 0.5 emu/g, что не так уж мало по сравнению с величинами, приведенными на рис. 1б.

А. Пятаков

1. E.A.Périgo et al., Appl. Phys. Rev. 2, 041302 (2015).

2. F.Huang et al., Scientific Reports 8, 2311 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#926   morozov » Ср июн 20, 2018 6:23

Ограничение на спин-массовые взаимодействия
1 июня 2018

В некоторых теориях имеет место взаимодействие между массой и собственными моментами импульса (спинами) объектов, переносимое аксионами или аксионоподобными частицами. Гипотетическое аксионное поле изначально было предложено для объяснения отсутствия CP-нарушения в сильных взаимодействиях, а его кванты – аксионы могут являться частицами темной материи. Исследователи из Принстонского университета (США) J. Lee, A. Almasi и M. Romalis выполнили поиск взаимодействия между массой, представляющей собой 250 кг свинцовых кирпичей, и ансамблем спин-поляризованных нейтронов и электронов в расположенном рядом комагнитометре. Спины нейтронов в ядрах 3He и спины электронов в ядрах калия приобретали определенную поляризацию посредством столкновений с атомами 87Rb, которые были поляризованы светом лазера. Груз совершал колебательное движение, и выполнялся поиск соответствующего периодического сигнала во вращении плоскости поляризации света, пропускаемого через комагнитометр. Спин-массовые взаимодействия могли изменять спиновые состояния, что отразилось бы на сигнале. На достигнутом уровне точности, такого взаимодействия не зафиксировано, и получены новые ограничения на константы связи в области масс аксионоподобных частиц <10−6 эВ. В случае нейтронов эти ограничения на порядок лучше предшествующих лабораторных ограничений. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 161801 (2018)

Ядерные реакции синтеза в массиве нанопроволок
1 июня 2018

A. Curtis (Университет штата Колорадо, США) и др. исследовали ядерные реакции синтеза в горячей плазме, которая образуется при воздействии лазерных импульсов на массив нанопроволок. Титан-сапфировый лазер генерировал импульсы длительностью 60 фс с энергией до 1,65 Дж. Ими облучались дейтерированные полиэтиленовые (CD2) нанопроволки длиной около 5 мкм и диаметром 0,2-0,4 мкм, собранные в пучок. Средняя плотность этой среды составляла 16-19% от плотности вещества самих нанопроволок. Благодаря использованию такого массива, лазерное излучение могло проникать в промежутки между нанопроволоками, и их нагрев происходил более эффективно, чем это возможно при воздействии импульсов на сплошную поверхность. Быстрый нагрев вызывал взрывы нанопроволок, в образующейся плазме дейтроны были ускорены до энергий в несколько МэВ и вступали в термоядерные реакции. С помощью нейтронных детекторов были зарегистрированы нейтроны с характерными для данных реакций энергиями 2,45 МэВ. Эффективность выхода нейтронов (2×106 на Дж) является рекордной для лазеров с энергией импульсов ≈ 1 Дж. Она в 500 раз больше, чем при облучении плоской поверхности CD2, и на порядок выше, чем в экспериментах с дейтериевыми кластерами. В экспериментах с инерционным удержанием мишеней, целью которых является термоядерная энергетика, выход нейтронов на Дж намного выше, но в них требуется энергия лазерных импульсов ≈ МДж. А на основе нанопроволок могут быть созданы компактные источники нейтронов для исследования материалов. Источник: Nature Communications 9 1077 (2018)

Управление Эйнштейна – Подольского – Розена в бозе – эйнштейновском конденсате
1 июня 2018

В 1935 г. Э. Шрёдингер ввёл концепцию управления Эйнштейна – Подольского – Розена (EPR steering), в которой результаты измерения одной части квантово запутанной системы изменяют состояние другой пространственно удаленной части и влияют на результаты его измерения. Это управление ранее было продемонстрировано только для пар частиц, а для систем из большего числа частиц оно до сих пор не наблюдалось. Впервые это удалось осуществить группе исследователей из Базельского университета (Швейцария) под руководством P. Treutlein. Облако из ≈ 600 атомов 87Rb удерживались в магнитной ловушке и переводилось в состояние конденсата Бозе – Эйнштейна. После выключения потенциала ловушки облако атомов свободно падало и расширялось, и по резонансному поглощению света регистрировались коллективные спиновые состояния различных пространственных частей конденсата. Были проверены квантовые неравенства, которые подтвердили как квантовую запутанность частей конденсата, так и управление Эйнштейна – Подольского – Розена. Методика эксперимента и наблюдавшийся в нем эффект могут оказаться полезными для создания новых квантовых сенсоров. Источник: Science 360 409 (2018)

Тройные квантовые корреляции
1 июня 2018

Можно предположить, что при квантовых измерениях с тремя и большим числом возможных исходов квантовый процесс измерения по своей внутренней сути всегда устроен так, что выбирается альтернатива только между двумя какими-то исходами, и таким путем перебираются все исходы. Т.е., в этой гипотезе предполагается, что существуют только двойные квантовые корреляции. X.-M. Hu (Научно-технический университет Китая) и др. представили первое прямое экспериментальное подтверждение существования более сильных корреляций, чем двойные. Создавались пары квантово запутанных фотонов, каждый из которых мог распространяться по двум различным путям, в одном из путей фотон мог иметь одно, а во втором пути два состояния поляризации, так что каждый из фотонов находился в суперпозиции трёх квантовых состояний и представлял собой кутрит (по аналогии с кубитом). Фотоны направлялись в две лаборатории, где выполнялись случайно выбранные измерения состояний фотонов с тремя возможными результатами. Методика измерений позволила проверить гипотезу о двойных корреляциях, которая формулировалась в виде неравенств, аналогичных неравенствам Белла. Эти неравенства были нарушены на уровне 9,3 σ, что исключает наличие лишь двойных корреляциях и свидетельствует о тройных корреляциях в процессе измерений. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 180402 (2018)

Одиночные фотоны, излучаемые парой квантово запутанных атомов
1 июня 2018

R. Blatt (Инсбрукский университет и Институт квантовой оптики и квантовой информации, Австрия) и его коллеги впервые продемонстрировали процесс излучения единичного фотона сразу двумя квантово запутанными атомами. Атомы были пространственно разделены, но при этом совместно излучали единичные фотоны в свободном пространстве. Это было возможно благодаря тому, что атомы имели связь с единой оптической модой, создаваемой плечами интерферометра. Два иона бария 138Ba+ были захвачены в линейную ловушку Пауля и с помощью лазерных импульсов переводились в определённую суперпозицию возбуждённых состояний так, что атомы оказывались квантово запутанными. Регистрировалось их излучение при переходах на нижние уровни. Однофотонное излучение было зарегистрировано по характерной картине интерференции, причем неразличимость излучателей достигала уровня 0,99 ± 0,06. Интерференционная картина очень чувствительна к степени запутанности и условиям вблизи атомов. По ее искажениям в эксперименте был измерен градиент магнитного поля. Таким образом, данный эффект может оказаться полезным для создания чувствительных магнитометров. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 193603 (2018)

Сверхпроводимость рения в многослойных структурах
1 июня 2018

D.P. Pappas (Национальный институт стандартов и технологий, США) и др. исследовали сверхпроводимость переходного металла рения Re в многослойных металлических структурах. Методом гальванопокрытия пленки Re помещались внутрь многослойных структур из пленок Cu, Au и Pd. Электрическое сопротивление и магнитная восприимчивость указывают на критическую температуру около Tc = 6° К, когда слой Re был с обеих сторон покрыт слоями Cu и Au. Аналогичные структуры со слоями Pd показали несколько меньшую Tc. Для сравнения, объёмный кристаллический Re демонстрирует максимальную Tc = 3° К. Также был обнаружен низкий уровень потерь на радиочастотах для мультислоёв с Re, осажденных на резонаторы. Сверхпроводящие пленки с Re и Cu или Au могут быть интегрированы в стандартные электронные компоненты и найти практическое применение. Источник: Appl. Phys. Lett. 112 182601 (2018)

Квантовый спиновый лёд в Pr2Hf2O7
1 июня 2018

В системах со взаимодействующими спинами возможны макроскопические коррелированные состояния, называемых квантовыми спиновыми жидкостями. В экспериментах уже были получены некоторые свидетельства их появления, но стабильных квантовых спиновых жидкостей в трёхмерных системах пока наблюдать не удавалось. R. Sibille (Институт Пауля Шеррера, Швейцария) и др. методом неупругого нейтронного рассеяния исследовали кристаллы Pr2Hf2O7 и выявили наличие в них при температуре ниже 0,05° К квантовой спиновой квантовой жидкости в форме так называемого спинового льда. Малые дипольные моменты в Pr2Hf2O7 исключают возможность того, что это состояние является классическим диполярным спиновым льдом. Интересной чертой квантового спинового льда, предсказанной теоретически, является появление в нём эффективной электродинамики (emergent electrodynamics), в которой роль потенциалов и полей, удовлетворяющих уравнениям Максвелла, играют спиновые корреляции и квазичастицы. В этой «электродинамике», в частности, возможны магнитные монополи. Эксперимент R. Sibille и др. показал, что в PrPr2Hf2O7 наблюдается континуум полуцелых возбуждений, который свидетельствует о наличии эффективной электродинамики. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 30 апреля 2018 г.

Распространение радиоволн во льду
1 июня 2018

Детектором IceCube, расположенным во льду Антарктиды на Южном полюсе, были зарегистрированы космические нейтрино с энергиями до ПэВ. Их регистрация выполнена по оптическому излучению Вавилова – Черенкова продуктов взаимодействий нейтрино. Предсказывается, что на более высоких энергиях лучшим по чувствительности методом регистрации нейтрино станет эффект Аскарьяна – когерентное излучение Вавилова – Черенкова в радиодиапазоне. В связи с этим ведутся исследования распространения радиоволн во льду Антарктиды. Были построены модели изменения диэлектрической проницаемости льда n с глубиной с учётом его сжатия и изменения плотности. Переменность n должна приводить к тому, что радиолуч, изначально распространяющийся на небольшой глубине вдоль поверхности льда, изгибается книзу, и появляется зона тени или «запрещённая» зона, в которую луч не доходит. S.W. Barwick (Калифорнийский университет в Ирвайне, США) и др. выполнили измерения распространения радиоволн во льду Антарктиды и получили неожиданный результат: сигнал регистрировался также и в «запрещённых» зонах. Механизм данного эффекта пока не выяснен. Возможно, он связан с неучтенными микроскопическими рассеяниями радиоволн. Важность обнаруженного эффекта заключается в том, что расположение приемников сигнала на относительно небольшой глубине в области тени может заметно увеличить эффективность регистрации радиоволн от нейтрино. Об излучении Вавилова – Черенкова и эффекте Аскарьяна см. в статье Б.М. Болотовского в УФН 179 1161 (2009). Источник: arXiv:1804.10430 [astro-ph.IM]

Гравитационные волны и уравнение состояния вещества нейтронной звезды
1 июня 2018

Регистрация 16 октября 2017 г. детекторами LIGO/Virgo всплеска гравитационных волн GW170817, возникшего в результате слияния нейтронных звёзд, дала новые ограничения на приливную деформируемость нейтронных звёзд, участвующих в столкновении. Приливная деформируемость влияет на то, как объекты сближаются на последних стадиях перед слиянием. В результате, в случае слияния нейтронных звезд форма гравитационно-волнового сигнала несколько иная, чем при слиянии двух чёрных дыр. Исследуя приливную деформируемость, можно получить данные об уравнении состояния вещества нейтронной звезды. E. Annala (Хельсинский университет, Финляндия) и др. проанализировали сигнал GW170817 и вывели семейство уравнений состояния, согласующихся с формой сигнала GW170817 и с другими известными данными. Получено, что максимальный радиус R нейтронной звезды с массой 1,4M☉ не превышает 13,6 км. Другая группа учёных из Индианского университета и университета шт. Флорида (США) выполнила похожее исследование и получила ограничение R(1,4M☉) < 13,76 км, что согласуется с результатами первой группы. Свойства ядерной материи в недрах нейтронной звезды пока не удается точно рассчитать теоретически, поэтому данные по слиянию нейтронных звёзд важны для их прояснения. В частности, исследователи пытаются выяснить, имеется ли в недрах нейтронных звёзд так называемая кварковая материя. Источники: Phys. Rev. Lett. 120 172702 (2018), Phys. Rev. Lett. 120 172703 (2018)

Смещение перигелия Меркурия
1 июня 2018

В 1915 г. А. Эйнштейн с помощью Общей теории относительности объяснил, почему эллиптическая орбита Меркурия вращается на 43 угловые секунды в столетие быстрее, чем предсказывает ньютоновская теория. К. Уилл (Флоридский университет, США и Университет Пьера и Марии Кюри, Франция) выполнил новые теоретические расчеты и показал наличие двух ранее не учтённых добавок, которые дают поправки в несколько милллионных долей от основного вклада 43'' в столетие. Первая добавка происходит от релятивистского влияния других планет на ускорение Меркурия, а вторая добавка связана со взаимодействием скорости Меркурия и гравимагнитного потенциала, создаваемого далекими планетами. Найденные дополнительные вклады, возможно, будут обнаружены европейско-японской миссией BepiColombo, в рамках которой планирует в конце 2018 г. запустить два спутника Меркурия. BepiColombo впервые сможет выявлять релятивистские эффекты, связанные с влиянием не только Солнца, но и других планет на движение Меркурия, что важно для проверки Общей теории относительности и других теорий гравитации. О вычислении малых поправок в Общей теории относительности см. в книге K. Уилла Теория и эксперимент в гравитационной физике (М.: Энергоатомиздат, 1985), а также в статье K. Уилла в УФН 164 7653 (1994). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 191101 (2018)

Новости не опубликованные в журнале


Распространение радиоволн во льду – новые измерения
1 июня 2018

Ранее при исследовании распространения радиоволн во льду Антарктиды наблюдался сигнал в области «тени», куда он не должен был доходить из-за изменения показателя преломления n с глубиной (см. arXiv:1804.10430 [astro-ph.IM]). C. Deaconu (Чикагский университет, США) и др. выполнили новые измерения распространения радиоволн во льду в Гренландии на частотах ≈ 100 МГц и также обнаружили сигнал в области «тени». Для объяснения этого эффекта были выполнены теоретические расчеты, учитывающими три пути распространения радиоволн: объемное распространение с учетом изменения n, поверхностное распространение вблизи границы раздела лед-воздух и горизонтальное распространение. Оказалось, что два последних типа распространения могу объяснить сигнал в области «тени», если из объемного пути в них переходит ≈ 0.06 % мощности сигнала. Этот переход, вероятно, связан со свойствами поверхностного слоя льда, в котором гранулированный снежный покров еще не полностью трансформировался в однородный лед. Источник: arXiv:1805.12576 [astro-ph.IM]

Нанопроволоки внутри нанотрубок
1 июня 2018

A. Vasylenko (Уорикский университет, Великобритания) и др. разработали методику выращивания нанопроволок из соединения SnTe внутри одностеночных углеродных нанотрубок. Полученная нанопроволока представляет собой одномерную цепочку атомов. Теоретические расчеты показали, что такие структуры должны обладать уникальными термоэлектрическими свойствами, которые могут найти полезные применения в технике. Источники: ACS Nano, онлайн-публикация от 21 мая 2018 г., www.sciencedaily.com

Взаимодействие бозона Хиггса с топ-кварками
4 июня 2018

В эксперименте CMS, выполняемом на Большом адронном коллайдере, на уровне достоверности 5 σ зарегистрировано одновременное рождение в одних и тех же процессах хиггсова бозона и пары кварков t-анти-t. Ранее этот процесс уже был обнаружен в экспериментах CMS и ATLAS, но с меньшей достоверностью. Полученная в измерениях величина взаимодействия бозона Хиггса с t-кварками согласуется с предсказанием Стандартной моделью элементарных частиц. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 231801 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#927   morozov » Вс июн 24, 2018 23:46

Наноструктуры в природе: свойства яичной скорлупы
Изображение
Живые организмы из органических и неорганических компонентов создают биоминералы, которые благодаря иерархически организованной структуре имеют замечательные механические и функциональные свойства. О некоторых примерах (прочная раковина морского ушка, мощная конечность рака-богомола и др.) уже рассказывал ПерсТ ([1,2]). Новые исследования, результаты которых представлены в работе [3], выполнены ab ovo – “с яйца”. Канадские учёные (при участии коллег из США, Германии, Испании) изучили наноструктуру и механические свойства яичной скорлупы. Использовали атомно-силовую (AFM) и электронную (SEM, TEM) микроскопию, 2D рентгеновскую дифракцию (2D XRD), электронную томографию и др. методы.

Яичная скорлупа домашней курицы (Gallus gallus) на ~ 95% по весу состоит из минерала кальцита (CaCO3) и на ~ 3.5% из органического материала, самым важным компонентом которого является белок остеопонтин (OPN), участвующий в процессе минерализации. Исследования авторов [3], выполненные с помощью атомно-силовой и электронной микроскопии, показали, что три слоя по толщине скорлупы, имеющие разную микроструктуру (рис. 1А), в свою очередь состоят из наногранул (рис. 1B-F). Размер наногранул в наружном вертикальном кристаллическом слое VCL ~ 30 нм (рис. 1B). Средний столбчатый слой PL можно разделить на три подслоя, в которых размер наногранул увеличивается в направлении к внутренней области: 33 нм (рис. 1С), 59 нм (рис. 1D) и 74 нм (рис. 1E).
Изображение
Рис. 1. Микро/наноструктура скорлупы. (А) SEM изображение микроструктуры скорлупы по толщине. B – наружный вертикальный кристаллический слой VCL, C, D, E – средний столбчатый (палисадный) слой PL, F – внутренний слой из полусферических агрегатов (маммилярный) ML. Шкала 100 мкм. B, C, D, E, F – AFM изображения наноструктуры слоев. Шкала 200 нм. G – гистограмма размеров наногранул (диаметры Ферета) в слоях.

Размер частиц во внутреннем маммилярном слое ML скорлупы около 68 нм (рис. 1F). На рис. 1G представлена гистограмма размеров наногранул в слоях. Исследователи детально изучили наногранулы среднего слоя и обнаружили, что они состоят из еще более мелких наночастиц – кристалликов кальцита размером 5-6 нм (рис. 2).
Изображение
Рис. 2. А - ТЕМ изображение среза среднего столбчатого слоя, показывающее присутствие 5-7 нм частиц. В - ТЕМ изображение высокого разрешения, подтверждающее кристаллическую природу наночастиц.

Как известно, белок остеопонтин влияет на процессы минерализации на всех стадиях формирования скорлупы, ограничивая размер образующихся наночастиц и наногранул кальцита. Авторы [3] предположили, что именно локальные и региональные изменения концентрации OPN отвечают за формирование иерархической структуры. В области с 5-7 нм-частицами концентрация этого белка должна быть очень высокой. Исследователи вырастили кристаллы кальцита в присутствии OPN разной концентрации и не только подтвердили своё предположение, но и показали, что с помощью остеопонтина можно получать кальцит с нужной микро/наноструктурой (рис. 3).
Изображение
Рис. 3. AFM изображения синтетических кристаллов кальцита, выращенных при разной концентрации остеопонтина.
В отсутствии OPN наноструктура не образуется (А),
при низкой концентрации 0.9 мкмоль OPN образуются гранулы размером 77 нм (В),
при высокой 5.9 мкмоль OPN – размером 29 нм (С).

Размер гранул синтетического кальцита, полученного при высокой концентрации OPN, примерно такой же, как во внешних слоях скорлупы В и С (рис. 1). Измерения твердости и модуля упругости показали, что в этих слоях значения самые высокие (твердость до 4 ГПа и модуль упругости до 65 ГПа), в слоях D, E снижаются (до ~ 2.5 и 50 ГПа, соответственно), а во внутреннем F слое опять растут. (Твердость синтетического кальцита при добавлении OPN заметно выше, чем для контрольного образца без OPN).

Благодаря такой структуре скорлупа выдерживает внешние воздействия (вес курицы, случайные удары и др.), но позволяет эмбриону развиваться внутри. Более того, структура со временем меняется. Авторы [3] изучили скорлупу через 15 дней инкубации (цыпленок должен вылупиться на 21 день). Размеры наногранул в наружных слоях (A, B на рис. 1) не изменились (~ 30 нм), а в самых глубоких (E, F на рис. 1) уменьшились от ~ 60-70 нм до 36 нм. Таким образом, в процессе инкубации происходит частичное растворение кристаллов кальцита из внутренней области скорлупы, и цыпленок получает кальций, нужный для формирования скелета. А скорлупа становится менее прочной, так что птенец может ее проклевать.

Результаты авторов [3] проясняют влияние остеопонтина на структуру и механические свойства скорлупы. Это важно для обеспечения безопасности продукции птицеводства, ведь через трещины внутрь яйца способны проникать опасные бактерии сальмонеллы.

Кроме того, полученная информация о механизме биоминерализации и свойствах наноструктурной скорлупы поможет созданию новых функциональных материалов.

О.Алексеева

1. ПерсТ 20, вып. 18, с.3 (2013).

2. ПерсТ 20, вып. 6, с.5 (2013).

3. D. Athanasiadou et al., Sci. Adv., 4: eaar 3219 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#928   morozov » Пн июл 02, 2018 12:44

Давление внутри протона
1 июля 2018

Взаимодействия кварков и глюонов внутри протона определяют его механические свойства, в том числе, внутреннее давление. Давление можно найти из экспериментальных данных по рассеянию электронов на кварках внутри протона ep→e'p'γ и регистрации вылетающих частиц по методу совпадений (метод «глубоко-виртуального комптоновского рассеяния»). Исследователи из Лаборатории Джефферсона (США) V.D. Burkert, L. Elouadrhiri и F.X. Girod, используя имеющиеся данные и применяя новый вычислительный подход, определили давление в зависимости от расстояния r до центра протона. На малых r давление положительное, при r ≈ 0,6 фм оно проходит через нуль и дальше становится отрицательным, связывая кварки в протоне. Зависимость p(r) хорошо соответствует предсказанию кварк-солитонной модели. Источник: Nature 557 396 (2018)

Нейтринные осцилляции в эксперименте MiniBooNE
1 июля 2018

Представлены новые наиболее полные данные, полученные в эксперименте MiniBooNE в Национальной лаборатории им. Э. Ферми (США) по осцилляциям мюонных нейтрино и антинейтрино в соответствующие электронные νe и анти-νe. Нейтринный пучёк образуется при взаимодействии протонов с бериллиевой мишенью и регистрируется в детекторе, наполненном минеральным маслом, путем наблюдения излучения Вавилова – Черенкова и сцинтилляционного сигнала. Подтверждено наличие избытка νe и анти-νe по сравнению с их ожидаемым числом при энергиях 200-1250 МэВ, который ранее уже был отмечен в экспериментах LSND и MiniBooNE. Совокупность данных MiniBooNE и LSND свидетельствует о наличии избытка событий на уровне достоверности 6,1 σ. Этот избыток может указывать на существование стерильных нейтрино, но результат пока не подтверждён в других нейтринных экспериментах. Источник: arXiv:1805.12028 [hep-ex]

Проверка Общей теории относительности
1 июля 2018

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Колорадского университета в Боулдере (США) N. Ashby, T.E. Parker и B.R. Patla выполнили новую проверку принципа локальной позиционной инвариантности, который является частью принципа эквивалентности и утверждает, что негравитационные эксперименты, выполненные в по-разному расположенных и ориентированных системах отсчета, должны давать одинаковые результаты. Изучалась стабильность частоты переходов между уровнями сверхтонкого расщепления атомов H и Cs за 14 лет. В течение этого времени гравитационный потенциал изменяется с изменением расстояния Земли от Солнца при ее движении по эллиптической орбите. Учитывалось также гравитационное поле Юпитера. Ядра H и Cs имеют разную структуру, поэтому они удобны для поиска нарушений принципа эквивалентности. Использовались данные по четырём водородным мазерам, находящимся в NIST, и восьми цезиевым стандартам частоты в метрологических лабораториях в разных странах. Полученное ограничение на поправку к относительному сдвигу частоты β = (2,2 ± 2,5) × 10−7 в два раза лучше предшествующих ограничений. Таким образом, отклонений от предсказаний Общей теории относительности пока не обнаружено. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 4 июня 2018 г.

Квантовый демон Максвелла
1 июля 2018

W.-B. Wang (Университет Цинхуа, КНР) и др. исследовали квантовый демон Максвелла (мысленный эксперимент, рассмотренный Максвеллом в 1867 г.), реализованный на азото-замещенной вакансии в алмазе (NV-центре) в магнитном поле. Спиновым состоянием этой квантовой ячейки можно управлять с помощью радиоимпульсов, а измерения состояний выполнялись методом квантовой томографии. Память демона, кодируемая спином электрона, составляла всего 1 бит. Она управляла открытием и закрытием логической ячейки. Измерения подтвердили, что в общем балансе энтропии необходимо учитывать информацию, заключённую в памяти демона. Во втором эксперименте демон был квантово запутан со вспомогательной системой – спином ядра 14N, и впервые была показана важная роль в работе демона квантовой запутанности. Квантовая запутанность может быть наглядно интерпретирована как резервуар с отрицательной энтропией в квантовом термодинамическом процессе. Источник: Chin. Phys. Lett. 35 040301 (2018)

Новый компонент электроники
1 июля 2018

В обычных биполярных и полевых транзисторах входные ток или напряжение управляют током на выходе транзистора, а для преобразования выходного тока в выходное напряжение требуется цепь нагрузки. S. Lee (Пусанский университет, Южная Корея) рассмотрел теоретически новое устройство, в котором входные сигналы должны непосредственно управлять напряжением на выходе. Новый активный компонент, хотя он пока ещё не был реализован на практике, предложено называть трансайтором (trancitor = tran-sfer + capa-citor). Возможно, трансайтор удастся создать на основе эффекта Холла. Комбинация в электронных устройствах транзисторов и трансайторов может значительно упростить схемотехнику и увеличить скорость работы устройств по сравнению с чисто транзисторными схемами. По расчетам S. Lee, использование трансайторов изменит эмпирический закон Мура, согласно которому число транзисторов, размещаемых в микросхеме, удваивается каждые 2 года. Источник: arXiv:1805.05842 [physics.app-ph]

Свободная энергия на неравновесной траектории
1 июля 2018

Флуктуационно-диссипативные теоремы выражают разность равновесных свободных энергий системы в конечных состояниях через её работу при неравновесной эволюции. Измерение работы обычно представляет сложности, но был предложен метод, называемый «релаксационной флуктуационной спектроскопией», в котором измерение работы не требуется, а достаточно анализа стохастических траекторий системы при ее релаксации. Данный метод впервые реализовали D. Ross (NIST) и др. В их эксперименте молекула ДНК передвигалась по подложке в виде лестницы, состоящей из нескольких ступеней. При тепловых флуктуациях (броуновском движении) молекула преимущественно сдвигалась вниз по лестнице, но иногда перемещалась вверх. По характеру ее движения, которое фиксировалось методом флуоресцентной микроскопии, было найдено распределение вероятности и измерена свободная энергия. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 28 мая 2018 г.

Звёзды в далёких галактиках
1 июля 2018

Исследование самых далёких галактик позволяет прояснять физические условия в ранней Вселенной. T. Hashimoto (Университет Осаки и Национальная астрономическая обсерватория Японии) и др. выполнили спектроскопические наблюдения гравитационно-линзированной галактики MACS1149-JD1 на комплексе радиотелескопов ALMA (Чили). В дальнем ИК-диапазоне обнаружена эмиссионная линия кислорода с красным смещением z = 9,1096 ± 0,0006. Это позволило установить, что обнаруженное ранее телескопом Спитцер покраснение в спектре галактики создаётся звёздами, которые образовались на z ≈ 15, т.е. в ту эпоху, когда возраст Вселенной составлял около 250 млн. лет, причём, для объяснения формы спектра требуются два последовательных эпизода звездообразования. Источник: Nature 557 392 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#929   morozov » Ср июл 11, 2018 15:35

Двумерный магнетизм в силицене

Исследования в области двумерных магнетиков стимулируются надеждами на их практическое использование в наноэлектронике, а именно, в схемах памяти и логики. Яркое достижение в этом направлении принадлежит группе В.Г. Сторчака из Курчатовского института. Результаты работы, выполненной в России без привлечения зарубежной инфраструктуры, опубликованы в Nature Communications, и согласно статистике, публикуемой на сайте журнала, статья [1] оказалась в числе наиболее читаемых.

Двумерные магнетики создаются путем внедрения магнитных атомов в двумерные материалы. В качестве такового авторы выбрали силицен (silicene) - монослой кремния. Такой выбор сразу привязывает структуры к кремниевой технологии, что уже является их несомненным достоинством. Немного о самом силицене. Он обладает сотовой (honeycomb) структурой, как и графен, но, в отличие от графена, силицен не плоский, а гофрированный (buckled). Из-за этого он в большей степени напоминает двуслойный графен – оба материала имеют запрещенную зону, ширина которой управляется поперечным электрическим полем. Суть явления заключается в том, что разные подслои гофрированной решетки силицена имеют разную энергию в электрическом поле. В результате изначальный линейный спектр трансформируется в параболический с запрещенной зоной. Мы обращаем на это внимание, поскольку с этим связаны надежды на возможности управления свойствами структур не только магнитным, но и электрическим полем, как это обычно происходит в приборах наноэлектроники.

Схематическое представление проведенных экспериментов показано на рис. 1. Попав на поверхность атомы металла М, химически связываются с кремнием, образуя двумерную структуру со стехиометрией MSi2, где атомы кремния образуют силиценовый слой. В качестве атомов металла M можно использовать такие редкоземельные элементы, как гадолиний или европий. Таким образом, возникает периодическая решетка магнитных атомов. С уменьшением толщины монослоев антиферромагнетизм подавляется возникающим ферромагнитным упорядочением. Результаты экспериментов оправдывают ожидания: выявлена возможность управления намагниченностью малыми магнитными полями, что в будущем позволит уменьшить энергию переключения элементов памяти или логики. Кроме того, показана устойчивость намагниченности, достаточная для практических целей.

Изображение

Рис. 1. Схематическое представление экспериментов. Синтез силиценовых структур на установке молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) на кремниевой подложке с ориентацией Si(111) (a). В результате возникает многослойный (b) или однослойный (c) силицен. В зависимости от числа слоев происходит переход от объемного антиферромагнитного состояния (d) к ферромагнитному (e); температура ферромагнитного перехода имеет характерную зависимость от магнитного поля (e).

Авторы изучили также транспортные свойства структур. Показано, что транспортные свойства, как и магнитные, обладают исключительно сильной зависимостью от числа слоев силицена. Так, обнаружено, что продольное сопротивление (ρxx) уменьшается на 9 порядков величины при сокращении числа слоев. В перспективе возможно создание наноэлектронных приборов на базе силиценовых структур, используя аномальный эффект Холла.

В.Вьюрков

1. A.M.Tokmachev et al., Nature Comm. 9, 1672 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30010
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#930   morozov » Ср июл 18, 2018 21:50

Трение покоя: стареем, но не забываем

Трение традиционно признается самой скользкой темой в физике. Коэффициент трения – коэффициент пропорциональности между максимальной силой трения покоя и силой нормальной реакции – зависит от множества факторов, таких как качество обработки поверхности, состав контактирующих веществ, кроме того, он также зависит от времени, в течение которого действует нагрузка. Известен, например, эффект старения, связанный с тем, что при длительном воздействии нагрузки поверхность деформируется, проседает, увеличивается эффективная площадь контакта, и коэффициент трения растет по логарифмическому закону. В недавней статье ученых из Harvard Univ. (США) [1] был обнаружен еще один необычный эффект, который исследователи назвали эффектом памяти при старении. Была проведена серия опытов с образцами полимера PMMA (рис. 1a), в которых измерялась площадь контакта и коэффициент трения покоя. Площадь контакта измерялась оптическим способом (рис. 1б) – на границу раздела образцов падал свет под углом полного внутреннего отражения, и там, где был контакт, свет проходил через образец и попадал на камеру, и в дальнейшем происходила уже математическая обработка сигнала.
Изображение
Рис. 1. а - Схема экспериментальной установки;
б - методика измерения площади контакта
Вначале вся система нагружалась большой нормальной нагрузкой, затем в определенный момент времени быстро уменьшали силу нагрузки, и система оставалась с новой, уменьшенной нагрузкой.

При постоянной нагрузке наблюдалось логарифмическое увеличение площади контакта в соответствии с уже известным эффектом старения. Когда нагрузка уменьшалась, площадь контакта начинала уменьшаться, и с некоторым запаздываением доходила до минимума, а затем снова увеличивалась под действием эффекта старения уже с новой нагрузкой. Получается, что система может иметь в разные моменты времени одну и ту же площадь контакта, то есть существует зависимость от предыстории, а значит, и память. Кроме того, время, за которое площадь контакта достигает минимума, зависит от того, сколько времени система провела под большой нагрузкой.

Коэффициент трения измеряли независимо, как отношение силы FS, необходимой для сдвига образца, к нормальной нагрузке FN. Оказалось, что у него своя динамика (рис. 2) – существуют интервалы времени, в которых площадь контакта уменьшается, а коэффициент трения растет.

Изображение

Рис. 2. Пример динамики изменения площади контакта и коэффициента трения

Авторы связывают это с тем, что нагрузка на локальные микронеоднородности поверхности различна, и вполне может случиться так, что, хоть общая площадь контакта уменьшается, но в тех местах, где контакт сохранился, он остается достаточно сильным.

Как мы видим, трение, несмотря на свою долгую историю, может принести нам еще немало сюрпризов.

З.Пятакова

1. S.Dillavo, S.M.Rubinstein, Phys. Rev. Lett. 120, 224101 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»