CP v2

Tag: Medžiagų mokslas

  • Sukūrė aštriausią pasaulyje elektroninį mikroskopą: matys tai, ko iki šiol nepavyko

    Sukūrė aštriausią pasaulyje elektroninį mikroskopą: matys tai, ko iki šiol nepavyko

    Naujas etapas medžiagų tyrimuose

    Brookhaven National Laboratory pristatė naują elektroninį mikroskopą, sukurtą specialiai jų Center for Functional Nanomaterials poreikiams. Įrenginys leis itin detaliai tirti medžiagų atomų išsidėstymą, cheminę sudėtį ir elektronų elgseną.

    Mokslininkų teigimu, šis mikroskopas užpildo spragą tarp įprastos elektroninės mikroskopijos ir didelių rentgeno įrenginių, kuriems reikia sinchrotrono. Kitaip tariant, dalį itin sudėtingų tyrimų bus galima atlikti greičiau ir lanksčiau, neperkeliant darbo į didžiules infrastruktūras.

    Keturi sprendimai, keičiantys ribas

    Laboratorija pabrėžia keturias technologines naujoves, kurios išskiria instrumentą iš ankstesnių kartų. Viena jų yra antrinių elektronų detektorius, galintis tuo pačiu metu vaizdinti ir viršutinį, ir apatinį mėginio paviršių iki atomų lygio.

    Toks tikslumas ypač svarbus katalizatorių tyrimuose, nes būtent katalizatoriai lemia daugelio reakcijų, naudojamų energijos konversijai ir kaupimui, efektyvumą. Kuo aiškiau matoma paviršiaus struktūra, tuo greičiau galima suprasti, kodėl viena medžiaga veikia geriau už kitą ir kaip ją patobulinti.

    Kita naujovė yra perprojektuota optinė sistema, kuri, pasak kūrėjų, daugiau nei penkis kartus išplečia išmatuojamos energijos diapazoną. Šie matavimai leidžia tiksliau vertinti oksidacijos laipsnį ir cheminių ryšių pokyčius, pavyzdžiui, kaip kinta baterijų medžiagos įkrovimo ir iškrovimo metu.

    200 kartų geresnė energinė skiriamoji geba

    Didžiausiu proveržiu vadinama energijos filtravimo sistema, kuri turėtų užtikrinti iki 200 kartų geresnę energinę skiriamąją gebą nei dabartiniai elektroniniai mikroskopai. Tai ypač svarbu tada, kai tyrėjams reikia ne tik pamatyti struktūrą, bet ir tiksliai suprasti, kas vyksta su elektronais medžiagos viduje.

    Ši pažanga atveria kelią pilnam EELS metodo, elektronų energijos nuostolių spektroskopijos, potencialui. Tokia analizė padeda įvertinti kvazidaleles, pavyzdžiui, fononus, magnons ar plazmonus, ir suprasti, kaip medžiagos perduoda šilumą, reaguoja į magnetinius laukus bei sąveikauja su elektra ir šviesa.

    Dar viena kryptis susijusi su įrangos valdymu: mikroskopo programinė įranga palaiko nuotolinę prieigą. Tai gali paspartinti eksperimentus, o ateityje sudaryti prielaidas autonominei mikroskopijai, kai dalį darbo optimizuoja DI metodai.

    „Šis instrumentas atveria duris visiškai naujiems eksperimentams ir leis atsakyti į klausimus, kurie anksčiau mums buvo nepasiekiami“, – sakė dr. Sooyeon Hwang, Dongguk universiteto Pietų Korėjoje docentė, prisidėjusi prie mikroskopo įsigijimo.

  • Belugą primenantis robotas „Electronic Dolphin“: jūrų ežių įkvėptas filtras surenka naftą ir grąžina švarų vandenį

    Belugą primenantis robotas „Electronic Dolphin“: jūrų ežių įkvėptas filtras surenka naftą ir grąžina švarų vandenį

    Belugą primenantis sprendimas

    Australijos RMIT universiteto inžinieriai pristatė mažą, belugą ar delfiną primenantį prototipą, skirtą naftos teršalams nuo vandens paviršiaus surinkti. Idėja paprasta, bet ambicinga: nuotoliniu būdu valdomas įrenginys turėtų pasiekti pavojingas vietas greičiau ir sumažinti riziką žmonėms.

    „Electronic Dolphin“ yra maždaug sportinio batelio dydžio ir šiuo metu veikia kaip koncepcijos įrodymas. Pasak kūrėjų, prototipas vienu įkrovimu gali dirbti apie 15 minučių, o jo užduotis yra vakuumuoti teršalus ir tuo pačiu atskirti juos nuo vandens.

    Kaip surenkama nafta

    Įrenginys turi priekyje sumontuotą antgalį ir nedidelę vidinę pompą, kuri įtraukia teršalus į surinkimo kamerą. Vanduo po filtravimo grąžinamas atgal, todėl robotui nereikia gabenti didelio kiekio vandens ir jis išlieka lengvas.

    RMIT laboratoriniuose bandymuose skelbė, kad prototipas išgavo teršalus maždaug 2 mililitrų per minutę greičiu ir pasiekė daugiau nei 95 proc. surinktos naftos grynumą. Tokie rodikliai rodo, kad technologija gali būti pritaikoma ten, kur svarbiausia greita reakcija ir tikslumas.

    Jūrų ežių įkvėptas filtras

    Svarbiausia naujovė slypi ne varikliuose, o filtre: jis sukurtas taip, kad atstumtų vandenį be agresyvių cheminių priemonių. Tai aktualu, nes dalis tradicinių naftos taršos tvarkymo būdų remiasi dispersantais ar kitomis medžiagomis, kurios pačios gali kelti papildomų aplinkosauginių rizikų.

    RMIT tyrėjai aiškina, kad filtro paviršius padengtas aplinkai draugiška danga, kurios mikrostruktūra primena jūrų ežio kiautą. Po mikroskopu matomos daugybės smulkių „spyglių“, tarp kurių susidaro oro kišenės, sudarančios fizinį barjerą vandeniui.

    „Ant filtro susiformuojantis oro sluoksnis neleidžia vandeniui įsigerti, todėl jis susitelkia į lašus ir nuslysta, o nafta prisitvirtina prie tinklo“, – teigiama RMIT universiteto paaiškinime.

    Kai nafta prilimpa prie filtro, pompa ją nukreipia į vidinį bakelį. Tokia schema leidžia filtrą naudoti pakartotinai ir palaikyti įrenginio efektyvumą, nes jis neprisigeria vandens ir nepraranda manevringumo.

    Kodėl tai svarbu praktikoje

    Naftos išsiliejimai jūrose ir pakrantėse daro ilgalaikę žalą ekosistemoms: nukenčia paukščiai, žuvys, jūrų vėžliai, pakrančių buveinės, o valymo darbai reikalauja daug resursų. Be to, dalis operacijų vykdomos pavojingomis sąlygomis, todėl nuotoliniai sprendimai vertinami kaip būdas mažinti riziką gelbėtojams.

    Kūrėjai pabrėžia, kad ateityje didesnės „Electronic Dolphin“ versijos galėtų dirbti ilgiau, automatiškai ištuštinti surinkimo talpas ir pačios grįžti į įkrovimo stoteles. Jei prototipas bus sėkmingai išplėtotas, tokie robotai galėtų tapti papildomu įrankiu greta bonų, skimerių ir kitų šiandien naudojamų technologijų.

    Kol kas tai ankstyvos stadijos sprendimas, todėl svarbiausi klausimai susiję su darbo trukme, našumu realiose bangavimo ir šiukšlių sąlygose bei galimybe greitai dislokuoti didesnį įrenginių skaičių. Vis dėlto gamtos įkvėpta filtro technologija rodo kryptį, kaip naftą galima atskirti švariau ir efektyviau.

  • Atominės bombos testas paliko keistą kristalą: mokslininkai sako, kad jo neturėjo būti

    Atominės bombos testas paliko keistą kristalą: mokslininkai sako, kad jo neturėjo būti

    Po pirmojo branduolinio ginklo bandymo JAV mokslininkai trinitite aptiko mikroskopinę kristalinę struktūrą, kurios, regis, neturėjo susidaryti. Tyrėjai teigia, kad šis radinys ne tik stebina, bet ir primena, kokias ilgalaikes pasekmes paliko 1945 metais prasidėjusi branduolinė era.

    Trinititas yra į stiklą panaši medžiaga, susiformavusi Naujosios Meksikos dykumoje 1945 metais per „Trinity“ bandymą. Sprogimo karštis išlydė smėlį, metalus ir bandymo infrastruktūros dalis, o medžiaga akimirksniu atvėso, tarsi užfiksuodama vieną ekstremalią sekundę.

    Kas tiksliai rasta trinitite?

    Naujai aprašyta struktūra priskiriama silicio klatratams, kai silicio atomai sudaro erdvines gardeles, primenančias narvelius. Tokių narvelių viduje gali „įstrigti“ kiti atomai, šiuo atveju daugiausia kalcis, o vietomis ir varis bei geležis.

    Pasak tyrėjų, šis klatratas aptiktas mažytėje, variu praturtintoje lašelio formos intarpoje raudonajame trinitite. Raudonesnis atspalvis siejamas su didesniu metalo priemaišų kiekiu, todėl tokie fragmentai yra ypač įdomūs rekonstruojant sprogimo metu vykusias chemines ir fizines reakcijas.

    Ekstremalios sąlygos, kurių neįmanoma ramiai atkartoti

    Branduolinio sprogimo metu trumpam susidaro milžiniška temperatūra ir slėgis, o medžiagos susimaišo ir atšąla žaibiškai. Dėl tokio staigaus proceso atomai nespėja „pasirinkti“ įprastų, stabiliausių formų, todėl gali susidaryti labai retos arba net anksčiau neaprašytos struktūros.

    Tyrėjai pabrėžia, kad trinititas yra savotiškas natūralus ekstremalių sąlygų archyvas. Jis leidžia suprasti, kaip medžiaga elgiasi per itin trumpus, bet labai energingus įvykius, kai įprastos geologijos ir chemijos taisyklės tarsi pakimba ore.

    Kodėl tai svarbu ne tik mokslui?

    Panašūs tyrimai turi reikšmės ne vien medžiagų mokslui ar vadinamajai smūginei geologijai. Trinitito analizė gali padėti geriau interpretuoti branduolinių sprogimų pėdsakus ir jų kilmę, o tai aktualu ir tarptautinio saugumo, ir branduolinių bandymų stebėsenos kontekste.

    Vis dėlto mokslininkai primena, kad „Trinity“ bandymas buvo ne neutralus eksperimentas, o įvykis, atvėręs kelią branduoliniam ginklavimuisi. Netrukus po jo pasaulis patyrė Hirosimos ir Nagasakio tragedijas, o paties bandymo radiacinis fonas ilgai išliko jautria tema vietos bendruomenėms.

    Naujasis klatrato radinys papildo ankstesnius atradimus trinitite ir rodo, kad žmogaus sukelti ekstremalūs įvykiai gali palikti ne tik istorines, bet ir netikėtas fizines „parašų“ formas. Tai kartu ir mokslo smalsumą žadinantis, ir nerimą keliantis priminimas, kokią kainą gali turėti technologiniai lūžiai.

  • Kinija baigė rekordinį eksperimentą: 537 dienas bandė medžiagas 11 000 metrų gylyje

    Kinija baigė rekordinį eksperimentą: 537 dienas bandė medžiagas 11 000 metrų gylyje

    Kinija pranešė užbaigusi išskirtinį, realiomis sąlygomis vykdytą medžiagų atsparumo korozijai bandymą. Eksperimentas truko 537 dienas ir buvo atliktas maždaug 11 000 metrų gylyje, kur vyrauja vienos ekstremaliausių sąlygų Žemėje.

    Tokio gylio aplinkoje derinasi milžiniškas slėgis, žema temperatūra, didelis druskingumas ir ribotas deguonies kiekis. Būtent šie veiksniai spartina kai kurių lydinių, dangų ir konstrukcinių elementų irimą, o laboratorinės simuliacijos ne visada tiksliai atkuria realų poveikį.

    Projektą vykdė su laivų statyba ir jūrinėmis technologijomis siejama Kinijos valstybinė pramonės grupė „CSSC“. Pagrindinis tikslas buvo surinkti duomenis vietoje, stebint, kaip skirtingos medžiagų grupės elgiasi ilgą laiką veikiamos giliavandenių sąlygų.

    Bandymuose naudotos kelios kategorijos: geležies ir spalvotųjų metalų lydiniai, įvairios funkcinės apsauginės dangos, anodinės katodinės apsaugos elementai bei nemetalinių, plūdrumą suteikiančių medžiagų pavyzdžiai. Pasak projekto rengėjų, dalis mėginių jau rodo irimo požymius, o kiti išliko stabilūs, todėl svarbiausia taps detali laboratorinė analizė po iškėlimo.

    Gauti rezultatai svarbūs kuriant giliavandenę įrangą, kurioje gedimų kaina yra itin didelė: nuo povandeninių robotų ir sensorių iki kabelių, jungčių bei tyrimų platformų. Realių bandymų duomenys padeda tiksliau parinkti medžiagas, apsaugines dangas ir konstrukcinius sprendimus, taip mažinant eksploatacijos riziką ir priežiūros kaštus.

    Korozija jūroje aktuali ne tik mokslo tyrimams, bet ir pramonei, ypač ten, kur įranga dirba dešimtmečiais. Kinija nurodo, kad projekto metu tobulintos apsauginės dangos gali praversti naftos ir dujų gavybos infrastruktūroje bei giliavandeniame kasime, kur medžiagų patvarumas lemia tiek saugą, tiek investicijų grąžą.

    Pastaraisiais metais vis daugiau šalių investuoja į giliavandenių technologijų vystymą, nes auga poreikis patikimai stebėti vandenynus, užtikrinti infrastruktūros saugumą ir plėsti jūrinių resursų panaudojimą. Todėl ilgalaikiai bandymai itin dideliame gylyje laikomi vienu iš nedaugelio būdų gauti patikimą, inžinerijai pritaikomą informaciją.

  • Mįslė perovskitų saulės elementuose įminta: DI atskleidė, kas ardo vieną perspektyviausių medžiagų

    Mįslė perovskitų saulės elementuose įminta: DI atskleidė, kas ardo vieną perspektyviausių medžiagų

    Halidų perovskitai laikomi vienomis perspektyviausių medžiagų naujos kartos saulės elementams, nes ypač gerai sugeria ir skleidžia šviesą. Teoriškai tai leistų kurti itin plonus ir lanksčius modulius, kuriuos būtų galima pritaikyti ant įvairių paviršių.

    Tačiau ilgus metus perovskitų proveržį stabdė patvarumas: dalis junginių greitai degraduoja, o tikrosios priežastys ne visada buvo aiškios. Dėl to inžinieriams buvo sunku suplanuoti, kaip stabilizuoti medžiagą nepakenkiant jos efektyvumui.

    Kuri medžiaga kėlė daugiausia klausimų

    Ypatingą dėmesį tyrėjai skyrė formamidinio švino jodidui, vadinamam FAPbI3, kuris pasižymi geromis optoelektroninėmis savybėmis. Vis dėlto dalis jo struktūrinių virsmų, ypač žemoje temperatūroje, ilgai išliko nepaaiškinti vien eksperimentais.

    Naujausiuose darbuose mokslininkai parodė, kad vėstant medžiagai formamidinio molekulės gali įstrigti pusiau stabilioje būsenoje. Toks „įstrigimas“ pakeičia kristalinės gardelės elgesį ir gali būti vienas iš veiksnių, susijusių su nestabilumu.

    „Žemos temperatūros fazė ilgą laiką buvo trūkstama šio tyrimų galvosūkio dalis, o dabar pavyko išspręsti esminį klausimą apie jos sandarą“, – sakė tyrime dalyvavusi mokslininkė.

    Kaip padėjo DI ir ilgesnės simuliacijos

    Perovskitų modeliavimas sudėtingas, nes realistiškam elgsenos atkūrimui reikia didelių skaičiavimo resursų ir ilgo laiko tarpo. Tradicinės simuliacijos dažnai apsiribodavo palyginti mažomis sistemomis, todėl dalis reiškinių likdavo „už kadro“.

    Tyrėjai sujungė įprastus skaičiavimo metodus su DI paremtais modeliais, leidusiais ženkliai prailginti simuliacijas ir padidinti nagrinėjamų sistemų mastą. Didesnės apimties skaičiavimai suteikė galimybę pamatyti subtilius struktūrinius pokyčius, kurie ankstesniuose modeliuose neatsiskleisdavo.

    Patikrinimas laboratorijoje ir reikšmė saulės energetikai

    Kad išvados nebūtų vien teorinės, simuliacijų rezultatai buvo sulyginti su laboratoriniais matavimais, kai mėginiai buvo aušinami iki maždaug minus 200 laipsnių Celsijaus. Sutapimai tarp eksperimentų ir modelių sustiprino argumentą, kad identifikuota struktūra iš tiesų atspindi realų medžiagos elgesį.

    Praktinė šio darbo nauda yra aiškesnės gairės, kaip tiksliau valdyti perovskitų mišinius ir jų fazinius virsmus, siekiant didesnio stabilumo. Jei pavyktų patikimai „užrakinti“ efektyvias savybes kartu išsprendžiant degradacijos problemą, perovskitai galėtų greičiau priartėti prie masinės gamybos ir platesnio pritaikymo.

    Augant elektros poreikiui ir didėjant spaudimui plėsti švarią generaciją, net ir tokie, iš pirmo žvilgsnio, siauri struktūriniai atradimai gali turėti didelę reikšmę. Jie priartina prie tikslo kurti lengvus, lanksčius ir efektyvius saulės elementus, kuriuos būtų paprasčiau diegti ant pastatų ar kitų netradicinių paviršių.

  • Perovskitų mįslė pagaliau įminta: DI atskleidė kristalo sandarą, kuri gali piginti saulės elementus

    Perovskitų mįslė pagaliau įminta: DI atskleidė kristalo sandarą, kuri gali piginti saulės elementus

    Pasaulinis elektros poreikis auga, o saulės energetika ieško medžiagų, kurios galėtų pasiūlyti daugiau nei šiandien dominuojantis silicis. Viena perspektyviausių krypčių yra halogenidų perovskitai – kristaliniai junginiai, itin gerai sugeriantys ir skleidžiantys šviesą, todėl tinkami efektyviems saulės elementams.

    Vis dėlto iki šiol vienas esminių klausimų liko neatsakytas: kaip tiksliai atrodo tam tikra perovskitų struktūrinė fazė, ypač esant žemai temperatūrai. Be tokio supratimo medžiagų stabilumo gerinimas tampa bandymų ir klaidų procesu, o stabilumas yra pagrindinis barjeras iki masinės gamybos.

    Kuo išsiskiria FAPbI3?

    Tyrimuose dažnai minimas formamidinio švino jodidas, trumpinamas FAPbI3. Jis laikomas vienu stipriausių kandidatų itin efektyviems perovskitiniams saulės elementams, nes pasižymi palankiomis optinėmis savybėmis ir gali padėti kurti plonesnius, lengvesnius, potencialiai lanksčius sprendimus.

    Problema ta, kad realiomis sąlygomis ši medžiaga gali greitai degraduoti dėl drėgmės, šilumos, deguonies, šviesos poveikio ir vidinių struktūrinių virsmų. Mokslininkai seniai įtarė, kad dalis atsakymo slypi būtent vidinėje kristalo sandaroje, kurios anksčiau nepavyko patikimai aprašyti.

    DI ir ilgesnės superkompiuterių simuliacijos

    Chalmerso technologijos universiteto Švedijoje mokslininkai pranešė užpildę šią spragą pasitelkę naujesnį skaičiavimo metodų derinį. Greta įprastų skaičiuojamosios fizikos metodų jie pritaikė DI apmokytus sąveikų modelius, leidžiančius daug greičiau prognozuoti atomų elgseną.

    Toks priėjimas suteikė galimybę vykdyti gerokai ilgesnes simuliacijas ir modeliuoti nepalyginamai didesnes atomų sistemas nei anksčiau. Tai svarbu, nes perovskituose lemtingos gali būti labai subtilios, per laiką besikaupiančios deformacijos, kurių trumpi ir maži modeliai paprasčiausiai „nemato“.

    Pagal tyrėjų pateiktą interpretaciją, vėstant FAPbI3 kristalui, formamidinio molekulės ne visada tvarkingai „užsifiksuoja“ vienoje stabilioje padėtyje. Vietoje to jos gali įstrigti tarpinėje, pusiau stabilioje būsenoje, kuri ilgai nebuvo aiškiai identifikuota ir galėjo klaidinti bandant paaiškinti medžiagos fazinius virsmus.

    Laboratorinis patvirtinimas ir reikšmė saulės energetikai

    Skaitmeninės išvados buvo patikrintos eksperimentais kartu su Birmingamo universiteto tyrėjais. Atšaldžius FAPbI3 mėginius iki maždaug minus 200 laipsnių Celsijaus, stebėjimai sutapo su simuliacijomis, o tai sustiprino pasitikėjimą naujai aprašyta žematemperatūre struktūra.

    Nors tokia temperatūra nėra būdinga saulės modulių darbo aplinkai, fazių ir vidinių molekulinių „įstrigimų“ supratimas leidžia tiksliau prognozuoti, kaip medžiaga elgsis įvairiomis sąlygomis ir kokie priedai ar mišiniai galėtų ją stabilizuoti. Praktinis tikslas aiškus: pasiekti perovskitų ilgaamžiškumą, kuris būtų pakankamas plačiam naudojimui už laboratorijos ribų.

    Jei stabilumo kliūtis bus įveikta, perovskitai galėtų papildyti arba kai kuriais atvejais ir pakeisti silicio sprendimus ten, kur svarbus mažas svoris, plonumas ar integravimas į paviršius. Be to, pats DI pagrįstų potencialų metodas gali paspartinti ir kitų sudėtingų medžiagų tyrimus, nes leidžia greičiau rasti dėsningumus, kurie anksčiau buvo per brangūs skaičiavimams.