НТИ сентябрь 2012 Ч.1 Экология, Энергия, Электроника

Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

 

Мне жаль, что предыдущий обзор не вызвал ни замечаний, ни комментариев.  «Меня не слышат, это минус…» Тем не менее, новый обзор составлен по традиционной схеме.  Я надеялся на хороший выбор новостей, но, честно говоря, он оставляет желать лучшего. Не пойму, с чем это может быть связано.

Раздел ЭКОЛОГИЯ объединил в себе три заметки. «Создан нетоксичный абсорбент для утилизации углекислого газа», пишет 24 сентября www.strf.ru. «В Нотингемском университете получен материал, который может вдохнуть вторую жизнь в проекты по абсорбции и захоронению углекислого газа, выделяемого электростанциями. Созданный британцами NOTT-300 представляет собой металлоорганический каркас, полученный с использованием в качестве исходных компонентов нитрата алюминия, дешёвых органических материалов и воды. Он нетоксичен и после своего насыщения требует куда меньше энергии для последующего высвобождения диоксида углерода.

Идея захвата диоксида углерода из состава промышленных выбросов не только не дошла до стадии коммерческой реализации, но и до сих пор не реализована ни в одном пилотном проекте. А дело всё в том, что разработанные для этой цели материалы зиждутся на разного рода аминах (или аммиачной основе). Помимо высокой цены, этот подход плох тем, что нуждается в большом количестве тепла для последующего высвобождения парникового газа (так что страдает даже сама основа аммиачного фильтра, восстановление которой также требует значительных энергетических и временных затрат). Исследователи утверждают, что их NOTT-300 свободен от подобных проблем».

«Мембрана без проблем разделяет нефть и воду», утверждает 5 сентября www.nanonewsnet.ru. «Исследователи создали материал, получивший название «гидрочувствительная мембрана» (hygro-responsive membrane), который может стать дешевым и энергоэффективным способом расчистки нефтяных разливов… Комбинация гидрофильного полимера с маслооталкивающим кремнийсодержащим материалом позволила исследователям создать новое поколение мембран, способных к разделению больших объемов смеси вода-масло (или вода-нефть) любого состава с помощью обычного фильтрования под воздействием силы тяжести.

Исследователи, которые создали этот материал, получивший название «гидрочувствительная мембрана» (hygro-responsive membrane), может стать дешевым и энергоэффективным способом расчистки нефтяных разливов. Традиционные мембранные методы разделения водно-нефтяных эмульсий требуют высоких энергетических затрат – для эффективного разделения водно-нефтяной смеси необходимо прокачивать ее через мембрану с помощью насоса. Помимо этого, такие мембраны со временем отравляются вязким материалом, таким как нефть, и теряют свою эффективность. Еще одним недостатком существующих мембран является то, что они не универсальны – как правило, для эмульсий, отличающихся по соотношению воды и нефти и типу эмульгатора – поверхностно-активного вещества требуется мембрана строго определенного типа.

Исследователи, работающие под руководством специалиста по химии материалов Аниша Тутеджа (Anish Tuteja) из Университета Мичигана впервые разработали мембраны, лишенные недостатков описанных выше. Мембраны были получены за счет погружения ткани из полиэфирных волокон или мелкой решетки из нержавеющей стали в смесь гидрофильного поперечно-сшитого полиэтиленгликоль диакрилата и олеофобных олигомеров фтордецилсилсесквиоксана. Фторированный силсесквиоксан представляет собой молекулу с карскасом Si8O12, с каждым атомом кремния которого связана фтордецильная группа. Сочетание фторсодержащих фрагментов и микрокристаллических свойств материала приводит к тому, что он обладает самым низким на настоящий момент значением энергии поверхностного натяжения. При контакте смеси вода-масло с мембраной первоначально ничего не происходит, однако через несколько секунд микрокристаллические участки силсесквиоксана на поверхности мембраны изменяют конфигурацию, формируя гладкую некристаллическую поверхность, которая позволяет полимеру образовать с водой водородные связи. Это обратимое изменение морфологии поверхности позволяет воде полностью смочить поверхность и проходить через мембрану, в то время, как неполярная жидкость будет удерживаться.

Исследователи смогли разделить различные типы смесей и эмульсий масло-вода, продемонстрировав, что новый материал обеспечивает непрерывное разделение смеси в потоковом режиме в течение 100 часов без нарушения производительности мембраны или замедления процесса. Также была разработана и система, которая может контролировать процесс увлажнения мембраны с помощью электрического поля».

«Нефтяные разливы предложили очищать при помощи магнитов», пишет 13 сентября www.nanonewsnet.ru.« Инженеры Массачусетского технологического университета предложили ликвидировать последствия морских разливов нефти при помощи специальных магнитных наночастиц…Принцип, предложенный авторами, заключается в том, чтобы добавлять в смесь нефти и воды ферромагнитные наночастицы, покрытые водоотталкивающей оболочкой. Такие частицы будут растворяться в нефти и превращать ее в магнитную жидкость, которую можно удалить при помощи магнитного поля.

Для отделения нефти с частицами инженеры разработали стационарные магниты, расположенные в особом порядке (сборка Халбаха). Нефть собирается на поверхности таких магнитов и собирается в особую емкость. Затем магнитные частицы извлекаются из нефти и используются повторно. По задумке исследователей, весь процесс будет происходить на борту специальных судов. Они будут накапливать собранную нефть, которую затем можно использовать. Это должно, по словам разработчиков, создать дополнительный экономический стимул для проведения очистных работ.

Ранее другая группа инженеров предложила для исправления последствий нефтяных разливов использовать пищевые поверхностно-активные вещества, которые традиционно входят в состав мороженого. Они, по словам авторов, гораздо безопаснее химических средств, которые сами по себе могут наносить вред экосистеме в районе катастрофы».

Раздел ЭНЕРГИЯ посвящен разным способам ее сохранения и передачи. «Изобретены устройства, генерирующие и сохраняющие энергию одновременно», сообщает 4 сентября www.nanonewsnet.ru. «Ученые из США предложили конструкцию новых элементов питания, которые напрямую преобразуют механическую энергию в химическую. Впоследствии эта энергия может быть сохранена или преобразована в электричество для питания различных устройств. Элемент питания радикально отличается от привычных аналогов последовательностью преобразований. Обычные устройства сначала преобразуют механическую энергию в электрическую, и лишь затем могут сохранить ее при помощи преобразования в химическую энергию.

Таким образом, новинка позволяет пропустить один промежуточный шаг, сделав систему более эффективной. Разработчики считают, что если предложенная методика будет немного улучшена, она вполне может применяться в быту, например, в подошвах обуви, которые позволят подзарядить мобильный телефон, пока владелец идет пешком…Обувь является наиболее очевидной областью для начала поиска подобных технологий. Поскольку упомянутые группы людей проходят ежедневно большие расстояния, можно извлечь большое количество энергии, установив инструмент для ее преобразования в подошву ботинка. Несколько подобных технологий уже находится на вооружении ученых. Но все они предполагают использование для генерации и хранения энергии отдельных блоков, при передаче между которыми энергия естественным образом теряется.

Но группа исследователей из Georgia Institute of Technology (США) предложила альтернативный подход. В рамках созданного ими устройства осуществляется как генерация, так и хранение энергии. Предложенная исследователями энергетическая ячейка состоит из катода, сделанного из литий кобальт оксида (LiCoO2), и анода из диоксид-титановых нанотрубок, выращенных перпендикулярно поверхности титана. Электроды разделены пленкой из поливинилиденфторида – материала, который имеет выраженные пьезоэлектрические свойства. Когда такая ячейка сжимается, появляется пьезоэлектрический заряд, вынуждающий ионы лития двигаться от катода к аноду. Таким образом, механическая энергия напрямую трансформируется в химическую и сохраняется в литий титан оксиде. Самый важный факт заключается в том, что, когда ячейка разжимается, пьезоэлектрический заряд пропадает, но сохраненная энергия – нет. Соответственно, при следующем цикле сжимания / разжимания объем сохраненной энергии увеличится. Использовать же запасенную энергию довольно просто – достаточно подключить нагрузку между анодом и катодом.

В рамках проведенных экспериментов научная группа смогла повысить напряжение между анодом и катодом до 60 мВ за 4 минуты сжатий элемента на частоте 2,3 Гц. После такой «зарядки» элемент может выдавать ток в 1 мА в течение 2 минут. Хотя результат работы одного элемента – не велик по сравнению с энергией, необходимой для зарядки мобильного телефона, команда использовала несколько элементов, соединенных последовательно, чтобы питать самый обычный электронный калькулятор в течение 10 минут. Хотя технология все еще находится на очень ранней стадии развития, уже сейчас понятно, что она эффективнее, чем обычные схемы генерирования энергии (где генерирование и сохранение энергии происходит в разных блоках). Более того, ученые считают, что есть несколько методов, позволяющих увеличить производительность системы. В частности, они полагают, что в конструкции, созданной на данный момент, большая часть механической энергии рассеивается не в пьезоэлектрической пленке, а в стальной оболочке устройства».

«Энергия в проводе: заряженная гибкость», называется заметка, размещенная 7 сентября на www.popmech.ru. «Созданы литий-ионные батареи в форм-факторе обычного провода. О новинке сообщили недавно разработчики LG Chem, одной из крупнейших химических компаний мира: аккумулятор-провод всего несколько миллиметров в диаметре способен не просто накапливать и отдавать заряд, но и - гнуться и завязываться в узлы.

С точки зрения электрохимии «проволочный» литий-ионный аккумулятор работает так же, как и обычные, которые используются в смартфонах или ноутбуках. Здесь имеются анод и катод, разделенные сепараторами, пропитанными электролитом. Анод представляет собой медную проволоку, покрытую никелево-оловянным сплавом, катод - обычный для таких аккумуляторов оксид кадмия. Вопрос лишь в организации: вместо того, чтобы располагаться плоскими слоями, они накручены в пустотелую гибкую спираль. Нити анода плотно накручиваются на 1,5-миллиметровый стержень, после чего тот удаляется - и образуется пустая упругая пружина, вокруг которой наматывается алюминиевый провод. Полученная структура протягивается через жидкий кобальтит лития, который, застывая, формирует катод. Наконец, вся пружина окружается внешним изолирующим слоем, а полая сердцевина ее заполняется электролитом.

В отличие от альтернативных решений, такая батарея обладает всеми преимуществами литий-ионных технологий - в частности, куда большей плотностью энергии, чем гибкие полимеры. Гибкость такой «проволоки» не ограничивается каким-либо определенным направлением. Она легко совместима с современными устройствами: по оценке разработчиков из LG Chem, 25-сантиметрового аккумулятора достаточно для питания плеера iPod Shuffle на 10 часов работы. Неудивительно, что уже в 2017 г. корейцы обещают приступить к массовому выпуску».

«Разработан двадцатикратно более эффективный процесс получения биотоплива», утверждает 7 сентября www.nanonewsnet.ru.« В Мичиганском университете (США) создан процесс производства биогорючего, который позволяет получить в двадцать раз больше энергии, чем любой существующий метод…Микробиолог Гемма Регуэра (Gemma Reguera) создала «Микробные электролизные ячейки» (МЭЯ) — биоэлектрохимическую систему, использующую бактерии для разложения и ферментативной переработки сельскохозяйственных отходов в этанол. Уникальность платформы в том, что она работает с двумя бактериями, одна из которых при внесении в реакционную среду удаляет все побочные продукты ферментирования (всё, что не является этанолом), генерируя при этом электричество.

Подобные микробные топливные ячейки уже изучались, но максимально достигнутый выход энергии фиксировался на уровне 3,5%, что не способствовало их массовому использованию. А вот мичиганским учёным удалось добиться на порядок более высоких показателей: выход энергии достиг 35–40%, только за счёт собственно ферментативного процесса. Секрет успеха — в синергетике. Ферментирующая бактерия была подобрана таким образом, чтобы она могла не только эффективно перерабатывать сельхозотходы в этанол, но и продуцировать такие неспиртовые продукты, которые затем могли бы с лёгкостью метаболизироваться электропродуцирующей бактерией.

Удаление накапливающихся продуктов первичной ферментации под действием второй бактерии стало отличным стимулом для лучшего роста и «улучшения» аппетита самой ферментирующей бактерии, активность которой не снижалась с течением времени. Но вернёмся ко «второй бактерии». Geobacter sulfurreducens в подходящих условиях способна генерировать электричество в процессе своей жизнедеятельности. Само электричество, однако, собирать с бактерий в планы учёных не входило. Решить эту задачу было бы непросто и вряд ли экономически выгодно. Зато авторы предложили другое гениально простое решение — использовать даровое электричество для производства водорода внутри МЭЯ и тем самым ещё больше увеличить энерговыработку всего процесса.

В результате суммарный выход достиг 73%, то есть производство водорода увеличило и без того солидный первоначальный показатель вдвое. Теперь учёные пытаются подогнать параметры своего изобретения к промышленным нуждам, где масштабы значительно превосходят лабораторные установки».

В разделе ЭЛЕКТРОНИКА описаны новые электронные материалы.

«Green House выпускает LED-фонарь, работающий на солёной воде», пишет 10 сентября www.nanonewsnet.ru. «Японская компания Green House представила фонарь GH-LED10WBW на светодиодах (LED), генерирующий электричество, используя обычную солёную воду. Устройство состоит из небольшого резервуара, съёмного анодно-катодного блока и LED-лампы. Работает фонарь за счёт электрохимической реакции, в которой солевой раствор служит электролитом.

По заявлениям Green House, 350 миллилитров воды и 16 граммов соли хватит для генерации электричества в течение 8 часов. После этого для продолжения работы фонаря достаточно поменять раствор. Яркость составляет 55 люмен. Ресурс анодно-катодного блока — около 120 часов; после этого его придётся менять. Новинка может использоваться не только для освещения, но и для подачи питания на мобильные гаджеты через USB-интерфейс.Продажи фонаря начнутся в середине сентября; информации о его ориентировочной цене на данный момент нет».

«Создан термоэлектрик с рекордной эффективностью», сообщают 20 сентября www.strf.ru и 21 сентября www.nanonewsnet.ru. «Американские ученые создали материал, преобразующий тепло в электричество с рекордной эффективностью, превышающей в два раза эффективность уже известных подобных материалов…Меркурий Канатзидис, химик из Северо-Западного университета США, создал материал с эффективностью термоэлектрической генерации (ZT), равной 2,2 (средний КПД более 20%). Коэффициент ZT выражает соотношение способности термоэлектрического материала давать ток определённого вольтажа, проводить электричество (чем выше – тем лучше, поскольку тем меньше потери) и тепло (чем ниже, тем лучше, чтобы полнее успеть преобразовать его в электричество). Ранее был известен материал с ZT, равной 1,8.

Термоэлектриками называют вещества, способные вырабатывать электричество при различии температуры в разных зонах материала. Эффективность преобразования определяется двумя (во многом противоречивыми) требованиями. Она тем выше, чем лучше такой материал проводит электричество, и чем хуже он проводит тепло. Даже вещество с очень низким сопротивлением будет неэффективно как термоэлектрик, если оно хорошо проводит тепло. Градиент температур в таком веществе быстро выровняется, и преобразование энергии прекратится.

Добиться низкой теплопроводности при высокой электрической проводимости ученым удалось за счет изменения микроструктуры материала. Исследователи использовали классический термоэлектрик – теллурид свинца (PbTe), но добавили в него вкрапления нанокристаллов теллурида стронция. Они не изменяли электрическую проводимость, но нарушали упорядоченную структуру материала, а следовательно, и его теплопроводность. Кроме того, ученые создавали в полученном материале микроскопические трещины. Это не позволяло теплу свободно двигаться в толще материала, но лишь незначительно влияло на его сопротивление. Самые большие зёрна – теллурида свинца – имеют диаметр в тысячи нанометров. Они собирают фононы с большими длинами волн. Зёрна теллурида стронция имеют диаметр от 2 до 10 нм и отвечают за фононы средней длины волны. Самые короткие волны улавливаются следовыми количествами натрия, впрыснутого в кристаллическую структуру финального материала перед его затвердеванием.

В результате, удалось добиться двукратного увеличения эффективности преобразования тепла: с 7 до 15 процентов! Продемонстрированный «композитный» подход можно применять и к другим материалам. Так как теллур не только дорог, но и ядовит, сейчас Канатзидис и его коллеги работают над созданием аналогичных по эффективности материалов на базе селенида и сульфида свинца, базирующихся лишь на относительно дешёвых и менее токсичных компонентах. Эффективные термоэлектрики имеют большое значение для энергетики. Более двух третей работы, которая затрачивается на производство электроэнергии, теряется в виде тепла, которое можно было бы использовать. Кроме того, термоэлектрики иногда используются и как основной источник электричества – например, на марсоходе «Кьюриосити», в котором тепло вырабатывается плутониевым топливным элементом».

«Ученые создали "растворимую" электронику, пригодную для имплантации», пишет 28 сентября www.nanonewsnet.ru. «Американские биоинженеры научились изготавливать «растворимые» электронные имплантаты, которые можно уничтожить прямо внутри организма, не прибегая к хирургическим операциям…«Мы назвали наше изобретение "временной электроникой». С самого зарождения микроэлектроники, все приборы изготавливались с расчетом на «вечную» работу. Но если подумать в обратном ключе и разработать устройства, способные самостоятельно разрушаться в строго заданное время, открывается новая сфера для применения электронной техники", – пояснил руководитель группы ученых Джон Роджерс (John Rogers) из университета штата Иллинойс в городе Урбана (США).

Роджерс и его коллеги уже много лет пытаются найти идеальный рецепт для изготовления «растворимой» электронике, экспериментируя с различными органическими и неорганическими соединениями. Как отмечают ученые, все компоненты такой электроники – изолирующие подложки, проводники и полупроводники – должны беспрепятственно выводиться из организма, не нанося ему вреда. Кроме того, готовый прибор должен быть достаточно гибким и компактным для успешной имплантации под кожу или в другие части тела человека. Авторы смогли реализовать все необходимые свойства «растворимой» электроники при помощи трех основных компонентов – магния, сверхтонких пленок из кремния и полимера на основе шелка. Магний и «шелк» безопасны для организма и могут быть переработаны клеточными ферментами, а пленки кремния химически инертны и постепенно распадаются под действием молекул воды. Чистый магний и его оксид используются в качестве «строительного материала» для проводящих электродов и диэлектрической подложки для транзисторов. Тончайшие полоски кремния необходимы для работы транзисторов и других полупроводниковых приборов, в том числе датчиков температуры, микроскопических фотосенсоров и фотокамер. Молекулы биополимера, составляющего основу шелка, используются в качестве гибкой и растворимой оболочки прибора.

«Растворимая» электроника изготавливается следующим образом. Сначала ученые печатают заготовки для транзисторов из тонких кремниевых пленок, затем поверх них наносятся линии из оксида магния и чистого металла, после чего прибор упаковывается в слой гибкого полимера на базе шелка. Структура полимера определяет срок годности имплантата – относительно непрочные молекулы шелка позволят ему просуществовать в теле пациента несколько дней, тогда как более сложный полимер продержится несколько месяцев или даже лет. «Существует множество классов задач, на реализацию которых уходит различное время. Медицинские имплантаты, задачей которых является мониторинг и борьба с инфекциями после операций, должны работать в течение двух недель. В случае с "встраиваемой» потребительской электроникой, производитель будет ориентироваться на один-два года непрерывной работы", – пояснил Роджерс.

Для демонстрации этой технологии ученые изготовили имплантат с датчиком бактерий и вживили его под кожу крысы. Устройство не вызывало раздражения у грызуна, успешно следило за появлением микробов и растворилось после окончания срока службы. Кроме того, Роджерсу и его коллегам удалось собрать более сложный прибор – цифровую камеру из 64 пикселей – на основе этой технологии. Биоинженеры полагают, что применение таких приборов не ограничивается медициной и нательной электроникой. В частности, сотовые телефоны и другие портативные электронные устройства на базе растворимых компонентов можно будет утилизировать, закапывая в землю или растворяя в воде».

Продолжение следует

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "НТИ сентябрь 2012 Ч.1 Экология, Энергия, Электроника"