Tag: Medžiagų mokslas

  • 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.