Международная группа учёных определила способы получения электроэнергии от тепла человеческого тела с использованием экологически чистых материалов. Идеальным материалом для создания мембраны, с помощью которой можно получать энергию от низкотемпературных термоэлектрических процессов, оказался лигнин, добываемый из отходов древесины. Это материал растительного происхождения, возобновляемый, экологически чистый и широкодоступный.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Человеческое тело в среднем за час вырабатывает 60–80 Вт тепловой энергии — вполне достаточно, чтобы запитать ноутбук. Проблема в том, как собрать это тепло и преобразовать его в электричество, а также накопить. КПД термоэлектрических преобразователей обычно составляет единицы процентов и даже ниже, если речь идёт о температурах ниже 200 °C. Но именно от источников такого «мусорного» тепла больше всего потерь в атмосферу — свыше 66 %. Его теряют тёплые механизмы, теплотрассы, строения и многое другое, включая нас самих. А ведь преобразование тепла тела в электричество могло бы надолго, если не навсегда, обеспечить работу носимой электроники.

Учёные из Университета Лимерика (Ирландия) в сотрудничестве с Университетом Валенсии (Испания) смогли создать мембрану из лигнина, способную создавать разность потенциалов на обеих её сторонах. Для этого мембрану пропитывали солевым раствором, в котором под действием тепла на одной стороне возникало движение положительных ионов на противоположную сторону. Оставалось лишь аккумулировать этот ток и использовать по назначению. Учёные и здесь не ударили в грязь лицом и создали экологически чистый накопитель ионов.

Исследователи изготовили из древесных отходов пористый углеродный материал, способный накапливать ионы после их прохождения сквозь мембрану из лигнина. Аккумулятор также оказался экологически чистым, как и термоэлектрический элемент. Точнее, исследователи создали углеродный суперконденсатор из отходов древесины, доказав, что тепло можно преобразовывать в электричество и накапливать без использования токсичных веществ, таких как свинец, сурьма и другие.

Созданный в Японии первый в мире спутник из дерева отправлен в космос на борту грузового корабля SpaceX Dragon и вскоре прибудет на МКС. Затем деревянный спутник будет запущен в самостоятельный полёт на высоте 400 км для проверки устойчивости этого природного материала к перепадам температур, вакууму и для оценки его способности защищать бортовую электронику от радиации. В Японии уверены, что дерево станет незаменимым при освоении космоса, и готовы это доказать.

Источник изображения: japantimes.co.jp

На разработку и создание спутника LignoSat с длиной ребра 10 см ушло более четырёх лет. Спутник был создан японскими учёными совместно со специалистами деревообрабатывающей компании Sumitomo Forestry. В Sumitomo Forestry считают, что если авиация начинала с дерева, то деревянные спутники также могут пройти этот путь. Кроме того, дерево — это экологически чистый и возобновляемый ресурс.

Дерево в вакууме не горит, не гниёт и не портится. Прежде чем изготавливать деревянные части LignoSat, образцы разных пород древесины с покрытием лаком и без него были отправлены на 10 месяцев на МКС для испытания в открытом космосе. Наиболее подходящей для использования в открытом космосе оказалась японская разновидность магнолии — хоноки, из которой традиционно изготавливают ножны для самурайских мечей — катан.

Японские учёные во главе с бывшим японским астронавтом и профессором Киотского университета Такао Дои (Takao Doi) разработали 50-летний план по выращиванию плантаций для получения древесины в космических целях. Они считают, что древесина станет космическим материалом будущего, который будет использоваться для колонизации Луны и Марса, а также для создания спутников. Если подтвердится хорошая экранирующая способность дерева для защиты от космического излучения, это позволит продвигать древесину для строительства ЦОД на Земле.

Падая обратно на Землю, современные спутники с корпусами из алюминия создают оксид этого металла и распыляют его в атмосфере. Это уже всерьёз беспокоит учёных и может обернуться экологической катастрофой для планеты. Дерево в этом плане практически безобидно и японские учёные надеются передать данную технологию Илону Маску.

«Это может показаться устаревшим, но древесина на самом деле является передовой технологией, поскольку цивилизация стремится к освоению Луны и Марса, — считают разработчики LignoSat. — Освоение космоса может оживить лесопромышленный комплекс».

Компания LG Chem обещает навсегда избавить пользователей от проблем с перегревом литиевых аккумуляторов. Разработанный компанией композитный материал на основе графита обладает свойствами менять свою молекулярную структуру при нагреве, что начисто лишает батареи возможности воспламениться в случае короткого замыкания. Это изменит мир аккумуляторов, уверены в компании.

«Кол в сердце» литиевого аккумулятора — больше не приговор. Источник изображения: LG Chem

Традиционно катоды и аноды аккумуляторов покрываются медной или алюминиевой фольгой для съёма тока с электродов. Южнокорейские учёные поставили перед собой цель разработать для токосъёмников неметаллическую фольгу, которая при перегреве вела бы себя как изолятор. Это обесточивало бы элемент и предотвращало последствия короткого замыкания — главной причины перегрева и воспламенения литиевых аккумуляторов.

В ходе научного поиска исследователи создали композит SRL (Safety Reinforced Layer) с вкраплениями графита (LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂||graphite), который при нагреве выше критического для батареи уровня наращивал бы своё сопротивление. Материал продемонстрировал способность при нагреве на каждый градус Цельсия повышать сопротивление на 5000 Ом. Это разрывало пагубную цепочку, ведущую к воспламенению батареи, что сотрудники LG Chem показали на примере аккумуляторов «мешочек» для мобильных устройств.

Источник изображения: Nature Communications, 2024

Предложенные плёнки композитного материала толщиной всего один микрон также на один порядок лучше проводят тепло, чем алюминиевая или медная фольга. Это помогает быстрее отреагировать на нагрев аккумуляторов и может предотвратить его перегрев. Композитный материал в качестве токосъёмника заменяет металлическую фольгу, а его производство оптимизировано для изготовления методом проката. В то же время LG Chem пока не готова к массовому производству новинки и обещает продолжить совершенствование этой технологии, намереваясь также продемонстрировать на её основе невоспламеняющиеся автомобильные аккумуляторы в 2025 году.

Учёные Университета МИСИС, Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова и Объединенного института ядерных исследований впервые изучили возможность формирования наноалмазов в многослойном графене, облучив его быстрыми тяжелыми ионами ксенона. В результате был получен ультрапрочный, стабильный и гибкий композит из графена и алмаза одновременно перспективный для электроники и защитных покрытий.

Источник изображения: МИСИС

Облучение образцов многослойного графена быстрыми и тяжёлыми ионами ксенона в диапазоне МэВ-энергий (мегаэлектрон-вольт) привело к образованию в углеродных плёнках алмазов размерами от 5 до 20 нм. Алмазы получились настоящие со всеми присущими им свойствами от высокой механической прочности до температурной стабильности. Графен при этом также сохранил свои качества в виде высокой электронной проводимости и прочих. Гибрид графена и алмаза сочетает лучшие стороны одного и другого, обещая стать базой для сверхпрочных материалов будущего.

Двумерные наноалмазы могут найти широкое применение в отраслях, где требуются прочные, проводящие и одновременно функциональные покрытия, в частности для покрытия деталей микросхем, имплантатов, создания чувствительных сенсоров и других технологических решений. Углерод — основа графена и алмаза — является биосовместимым материалом. В протезировании и хирургии костей и суставов новый материал может произвести революцию, включая также его очевидно интересные оптоэлектронные свойства.

О технологии производства нового материала учёные рассказали в журнале Carbon.

Близится то время, когда привычные кремниевые транзисторы больше нельзя будет уменьшать в размерах. Поэтому в запасе должна быть технология производства транзисторов атомарного масштаба, с чём обещают помочь так называемые 2D-материалы. Они настолько тонкие, что за тип проводимости в них начинают отвечать дефекты — отдельные атомы или их вакансии. Это уменьшает размеры транзисторов до считанных атомов и оставляет простор для развития электроники.

Дефект в кристаллической структуре служит основой для атомарно тонкого транзистора. Источник изображения: PPPL

Свой посильный вклад в изучение перспективных материалов для электроники будущего внесли учёные Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Плазма или четвёртое состояние вещества позволяет дозировано воздействовать на материалы, придавая им те или иные требуемые свойства. В новой работе исследователи попытались дать расширенную характеристику такому ряду 2D-материалов, как дихалькогенид переходного металла (TMD или, по-русски, ДПМ). К дихалькогенидам относятся такие вещества, как кислород, сера, селен или теллур. А переходные металлы — это любой металл из групп с 3 по 12 в периодической таблице Менделеева.

Соединения ДПМ представляют собой своего рода сэндвичи из чередующихся слоистых материалов, где слой переходного металла обкладывается с двух сторон дихалькогенидами. Учёные давно заметили, что в ряде случаев отдельные участки таких соединений демонстрируют разную проводимость: n- или p-типа (электронную или дырочную). Исследователи PPPL всерьёз взялись изучить вопрос, от чего это зависит, и как влияют на проводимость дефекты — вакансии атомов или присутствие лишних атомов в материале, а также какие из веществ (дихалькогенидов) вызывают появление избытка электронов или дырок.

В частности, исследователи выяснили, что присутствие атомов водорода в ДПМ однозначно ведёт к появлению избыточности по электронам. Это пригодится для создания условно точечных транзисторов n-типа. Для других материалов также были определены свои характеристики, что достигалось как измерениями, например, поглощением света, так и расчётами. Другим важным аспектом работы стало изучение условий для появления дефектов с минимальным расходом энергии, потому что именно у таких дефектов выше всего вероятность возникнуть в процессе обработки. Одним словом, учёные создали базу, от которой можно реально отталкиваться в процессе поиска перспективных 2D-материалов для производства атомарно малых транзисторов, о чём они сообщили в соответствующей статье.

Одна из экзотических форм материи — это квазикристаллы. Они сохраняют упорядоченную структуру, но она неидеальная и не является своей точной копией. Перспективным направлением для применения квазикристаллов считаются абсорбирующие вещества и синтез (сворачиваемость) белков. Команда физиков из Великобритании и Швейцарии взялась кардинально решить вопрос с проектированием таких структур, которые представляют собой также самые сложные в мире лабиринты.

Модель квазикристалла с гамильтоновым путём. Источник изображения: University of Bristol

Этой задаче, очевидно, намного больше лет, чем нам известно. По крайней мере, частный случай квазикристаллов был поднят учёными около 300 лет назад в задаче о ходе коня. Эта шахматная фигура должна была посетить каждое поле доски без повтора и вернуться в исходное положение. В общем случае подобное поведение называется гамильтоновым циклом (или путём, если не нужно возвращаться в точку старта). Если смотреть на проблему ещё шире, то речь идёт о создании фракталов — геометрических узоров на основе повторяющихся мелких элементов, подобных общей структуре.

В своём исследовании учёные использовали непериодическую мозаику (плитку) Амманна-Бенкера. Не менее известна мозаика Пенроуза. Этому графическому феномену уделил место и время современный американский писатель-фантаст Нил Стивенсон, используя его в произведении «Анафем», которое просто обязан прочесть каждый, кто интересуется естествознанием. Учёные использовали идею для моделирования циклов, в ходе которых каждый атом в кристаллической решётке квазикристалла мог быть посещён только один раз, что соединяет все атомы от начала до конца в одну и никогда не пересекающуюся линию. Более того, подобную структуру можно бесконечно масштабировать подобно фракталам.

Мозаика (плитка) Амманна-Бенкера

Целью проделанной работы не было создание головоломок-лабиринтов для развлечения скучающих граждан. Во-первых, новая модель может помочь с оптимизацией логистических задач. Также с её помощью может решаться проблема получения новых пространственных форм (сворачивания) белков. Наконец, поглощение углекислого газа или других молекул будет намного эффективнее, если использовать подобные лабиринтообразные кристаллические структуры. Фрактальность в таком случае умножит эффект за счёт потенциальной возможности дробления на более мелкие части.

Учёные давно научились делать древесину прозрачной, растворяя лигнин в древесных волокнах и заменяя его оргстеклом или эпоксидной смолой. Тем самым производится строительный материал с интересными свойствами, способный заменить стекло в определённых конструкциях. Но дерево — это достаточно ценный и востребованный материал даже без такой хитрой модификации, и китайские учёные решили заменить его бамбуком, ведь он растёт намного быстрее.

Источник изображения: Research

Проблемой занялась группа исследователей из Центрально-Южного университета лесного хозяйства и технологий (CSUFT) Китая. Поскольку бамбук — это, по сути, та же древесина, учёные использовали тот же подход для придания ему прозрачности, что и в случае обычной древесины. Сначала они растворили лигнин, а затем последовательно обработали материал рядом растворов.

Для придания бамбуку прозрачности его обработали жидким неорганическим силикатом натрия (жидкое стекло). Затем материалу придали водоотталкивающие свойства. В итоге получился своего рода трёхслойный прозрачный материал, верхний слой которого представлен силаном (соединения кремния с водородом), средний — диоксидом кремния, а нижний — жидким стеклом. Получившийся материал обладает светопропусканием 71,6 %, оказался огнестойким, водоотталкивающим и характеризуется модулем сдвига 7,6 ГПа (сопротивление сдвиговой деформации), а также модулем упругости (модулем Юнга) 6,7 ГПа.

Более того, пропускающий свет бамбук показал свою эффективность в качестве подложки для перовскитной солнечной панели, повысив её эффективность на 15,29 %. При этом он служил защитой для ячейки, которая крайне чувствительна к уровню влажности окружающей среды. В будущих исследованиях, заявили учёные, они создадут техпроцесс для массового производства прозрачного бамбука и изделий из него, например, прозрачных крыш и стен.

Алмаз давно рассматривается в качестве полупроводникового материала с исключительными физическими и электрическими свойствами, которые значительно превзойдут традиционные полупроводники, включая перспективные карбид кремния и нитрид галлия. Но на пути исследователей встало так много препятствий, что коммерциализация алмазных элементов и чипов была отодвинута куда-то в будущее, пока вопросом не занялась компания Advent Diamond…

Источник изображений: Advent Diamond

Сообщается, что американская компания Advent Diamond сумела добиться решающего перелома в продвижении алмазов в полупроводниковую промышленность. Она сумела развить целый спектр техпроцессов по выращиванию искусственных алмазов, по их подготовке к обработке, включая легирование, а также разработала защищённые патентами технологии по обработке, травлению и металлизации алмазных заготовок с последующим контролем качества вплоть до определения электрических и физических параметров полученных продуктов.

Важнейшим элементом головоломки «алмаз как полупроводник» стала технология легирования слоёв алмаза фосфором. Фосфор считается единственной относительно мелкой легирующей добавкой n-типа в алмазе, которая позволит выпускать алмазные транзисторы и диоды с электронной проводимостью. С дырочной проводимостью или проводимостью p-типа у алмаза особых проблем не было. А с появлением слоёв для изготовления n-переходов алмаз превращается в полноценный и универсальный полупроводниковый материал.

В целом алмаз обладает таким набором свойств, которые совершенно недоступны для традиционных полупроводников. Во-первых, это физические свойства алмаза, наиболее ценным из которых для чипов станет впечатляющая теплопроводность. Алмаз может сам себе быть радиатором, а это дорогого стоит. Алмазный чип выдержит такой поток плотности мощности, который выведет из строя любой другой чип. Подобное качество крайне востребовано в зарядках электромобилей, мощность которых неуклонно растёт, в возобновляемой энергетике, в космосе, авиации и много где ещё.

Другим несомненно выдающимся качеством алмазных полупроводников считается рекордно широкая запрещённая зона, что делает этот материал уникальным с точки зрения частотных характеристик, а это, в первую очередь, мощные радарные системы и датчики альфа-частиц, ультрафиолетового и рентгеновского излучения и протонов. Наконец, высокая стабильность квантовых свойств алмазов обещает им достойное место в сфере квантовых компьютеров. И такие квантовые материалы у компании Advent Diamond тоже есть.

Радиочастотный диод Advent Diamond из алмаза

Но есть и проблемы. Сегодня алмазные пластины для изготовления полупроводников выпускаются диаметром 1 и 2 дюйма. Переход к 4-дюймовым пластинам предпринимается, но пока неубедительно. Это не может сделать алмазные диоды и транзисторы дешёвыми, хотя военные охотно платят за такой товар. К примеру, компания Advent Diamond производит алмазные радиочастотные диоды для защиты трактов приёмников с плотностью тока свыше 1 кА/см². Это идеальное решение для радиолокационных систем, заменить которое крайне сложно. Особенно если учесть, что алмазный диод будет нормально работать при температуре до 400 °C.

Всю эту красоту портит другой факт. Пока при производстве алмазных заготовок возникает чрезвычайно много дефектов. Так, компания говорит о плотности дефектов 10⁸/см². При такой плотности дефектов говорить о нормальном коммерческом производстве комплектующих сильно преждевременно. В компании Advent Diamond считают, что для коммерциализации техпроцессов, связанных с алмазными полупроводниками, плотность дефектов должна быть снижена до 10³/см². У компании есть наработки, которые помогут стремиться к такому результату, но быстрым он точно не будет.

В прошлом году Apple прекратила продажу кожаных аксессуаров — чехлов для iPhone и ремешков для умных часов — в стремлении сделать свою продукцию более экологически чистой. Вместо неё компания представила материал FineWoven на основе «прочного» микротвила, который на ощупь напоминает мягкую замшу. Но среди потребителей новый материал не снискал популярности.

Источник изображения: apple.com

В сентябре минувшего года Apple представила линейку аксессуаров FineWoven, созданных с учётом потребностей окружающей среды — этот материал на 68 % изготавливался из вторсырья и характеризуется сниженными выбросами углекислого газа по сравнению с производством продукции из кожи. Но в реальности на аксессуары FineWoven стало поступать множество жалоб, и в первую очередь на их долговечность. Чехлы FineWoven для iPhone 15, как оказалось, очень легко царапаются в сравнении с традиционными кожаными, и со временем начинают выглядеть очень неэстетично. Кроме того, аксессуары FineWoven недёшевы: $59 стоит чехол для iPhone или кошелёк MagSafe, $35 — держатель для AirTag и $99 — ремешок для Apple Watch.

В итоге Apple решила отказаться от FineWoven, заявила в соцсети X инсайдер Kosutami, чья информация о линейке этих аксессуаров ранее подтверждалась. «FineWoven умер. Потому что его долговечность была плохой. Все производственные линии остановлены и демонтированы. Apple перешла на другой материал — снова не на кожу. Так что увидимся в кожаном аду», — сообщила Kosutami.

Учитывая, что аксессуары FineWoven особой популярностью не пользуются, они ещё останутся в продаже какое-то время, пока их запасы не иссякнут. Возможно, аналогичные товары из нового материала будут представлены уже на мероприятии WWDC, которое в этом году откроется 10 июня.

Золото как отличный и стойкий к агрессивным средам проводник давно снискал популярность у производителей чипов и электроники. Недавно учёные смогли открыть в нём новую и неожиданную грань, которая добавит популярности этому металлу — они научились превращать его в полупроводник. К этому открытию привела череда случайностей, но чтобы добиться нужного результата потребовалось много лет.

Источник изображения: DALL-E/newatlas.com

Если кратко, с помощью ряда химических процессов удалось создать устойчивый атомарно тонкий слой чистого золота. По аналогии с графеном его назвали «goldene» (златен?). Атомы золота в атомарно тонком слое оставляют по две свободных связи, что даёт возможность придать материалу свойства между проводником и изолятором. Химическая промышленность также будет рада такому материалу, а фразу «ваши транзисторы просто золотые» можно будет воспринимать буквально.

«Если вы сделаете материал чрезвычайно тонким, произойдет нечто экстраординарное — как с графеном, — пояснил учёный-материаловед Шун Кашивайя (Shun Kashiwaya) из Линчёпингского университета в Швеции (Linköpings universitet, LiU). — То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, золото обычно является металлом, но при толщине слоя в один атом золото может превратиться в полупроводник».

Открытие в какой-то мере сделано случайно. Исследователи работали с таким материалом, как карбид титана кремний Ti₃SiC₂. Это перспективная электропроводная керамика с очень тонким слоем кремния. Учёные попытались нанести золотой контакт на материал, но в итоге под воздействием высокой температуры атомы золота заместили в материале атомы кремния. Произошло это несколько лет назад, и только годы спустя учёные научились химическим способом удалять из материала также титан и углерод, оставляя лишь атомарно тонкий слой золота.

Синие точки — атомы титана, чёрные — углерода, жёлтые — золота. Источник изображения: Nature Synthesis 2024

Решение нашлось в древнем рецепте японских кузнецов, которые с помощью специального раствора — реагента Муроками — вытравливали узоры на клинках (попутно вытравливая в металле углерод). Подбирая соотношение химических веществ и варьируя время травления удалось подобрать условия для полного растворения титана и углерода из золотой заготовки. Оказалось также, что травление должно происходить в полной темноте, поскольку на свету образовывались соединения, разъедающие золото.

Для предотвращения скручивания столь тонкого листа золота и образования комков учёные добавили к материалу поверхностно-активное вещество. Анализ показал, что в итоге получилось стабильное золото атомарно тонкой толщины, которое теперь возьмут в разработку электронщики, химики и специалисты по материалам.

Давно не секрет, что продажа расходных материалов приносит основную прибыль HP Inc. в сегменте устройств печати, но пользователи всё равно пытаются экономить, покупая неоригинальные картриджи. Недавняя попытка компании блокировать подобную подмену вызвала у группы потребителей желание защищать свои права в суде, и теперь истцы пытаются обвинить HP Inc. в нарушении антимонопольного законодательства.

Источник изображения: HP Inc.

Издание The Register сообщает, что серия судебных разбирательств в суде штата Иллинойс привела к появлению группового иска, в котором потребители продукции HP Inc. через своих адвокатов пытаются заявить, что «они никогда не подписывали с компанией контрактных обязательств на покупку только чернил марки HP». Вынуждая их приобретать только оригинальные расходные материалы, HP Inc. нарушает ряд положений антимонопольного законодательства, как утверждают истцы.

В период с конца 2022 года по начало 2023 года обновление программного обеспечения начало блокировать принтеры HP Inc. в случае обнаружения неоригинального картриджа. Истцы настаивают, что компания не только должна возместить им расходы на покупку данных картриджей, которые теперь не могут быть использованы по назначению, но и прекратить блокировать применение сторонних расходных материалов.

HP Inc. утверждает, что блокирует на программном уровне только использование сторонних картриджей, которые оснащены клонированными или поддельными чипами, но позволяет применять картриджи, которые повторно используют оригинальные чипы. При этом компания не скрывает, что осуществляет подобный мониторинг, уведомляя пользователей о подобных ограничениях. Законы США, как утверждает HP Inc., не позволяют потребителям оспаривать в суде чрезмерные затраты на приобретение продуктов определённой марки в том случае, если они были куплены у посредников, а технически компания не продавала истцам расходные материалы напрямую. Стороне обвинения также не удалось доказать, по мнению представителей HP Inc., что компания действовала без разрешения, блокируя сторонние картриджи, либо делала это с превышением своих полномочий. Стремление руководства HP Inc. перевести покупателей устройств печати на бизнес-модель с подпиской показывает, что компания заинтересована в получении регулярных доходов в этой сфере, поэтому наверняка свои права в этой сфере она будет отстаивать до конца.

На деньги Министерства энергетики США учёные из Лехайского университета (штат Пенсильвания) создали материал для солнечных панелей с невообразимой эффективностью. Благодаря разработке новые панели смогут вырабатывать до двух электронов на каждый поглощённый высокоэнергетический фотон, что намного выше теоретически предсказанного значения.

Источник изображения: Ekuma Lab/ Lehigh University

Следует подчеркнуть, что привычное значение КПД панелей и внешняя квантовая эффективность фотоэлектрического материала — это не одно и то же. При падении на панель часть фотонов отражается, а другая часть нагревает панель вместо возбуждения электронов. Тем самым теоретическое значение внешней квантовой эффективности (EQE) не может быть больше 100 %, на что указывает предел Шокли-Квиссера, а КПД панелей ещё меньше. Но что это за наука, если она не может шагнуть за пределы известного?

«Эта работа представляет собой значительный скачок вперёд в нашем понимании и разработке решений в области устойчивой энергетики, подчеркивая инновационные подходы, которые могут переопределить эффективность и доступность солнечной энергии в ближайшем будущем», — сказал Чинеду Экума (Chinedu Ekuma), профессор физики, который является ведущим автором статьи в журнале Science Advances.

Поиск нужной комбинации материалов сначала был проведён с помощью моделирования на компьютере. Затем, на основе полученных данных, был создан прототип, подтвердивший удивительные свойства материала. Образец в качестве активного слоя в кремниевой фотоэлектрической ячейки продемонстрировал среднее фотоэлектрическое поглощение в 80 %, высокую скорость генерации фотовозбуждённых носителей и внешнюю квантовую эффективность (EQE) на беспрецедентном уровне 190 %.

Скачок эффективности материала во многом объясняется его отличительными «состояниями промежуточной зоны», специфическими уровнями энергии, которые расположены в электронной структуре материала таким образом, что делают их идеальными для преобразования солнечной энергии. Эти состояния имеют уровни энергии в пределах оптимальных энергетических диапазонов, в которых материал может эффективно поглощать солнечный свет и производить носители заряда — около 0,78 и 1,26 эВ (электрон-вольт). Кроме того, материал особенно хорошо проявил себя при высоких уровнях поглощения в инфракрасной и видимой областях электромагнитного спектра.

В традиционных солнечных элементах максимальное значение EQE составляет 100 %, что соответствует генерации и сбору одного электрона на каждый поглощенный фотон солнечного света. Новый материал, как и ряд других перспективных материалов, продемонстрировал способность генерировать и собирать более одного электрона из фотонов высокой энергии, что обеспечивает увеличение теоретически возможного КПД панелей до двух и более раз.

Хотя такие материалы с многократным генерированием экситонов еще не получили широкого коммерческого распространения, они обладают потенциалом для значительного повышения эффективности систем солнечной энергетики. В материале, разработанном исследователями Лехайского университета, состояния промежуточной зоны позволяют улавливать энергию фотонов, которая теряется традиционными солнечными элементами, в том числе за счет отражения и выработки тепла.

Исследователи разработали новый материал с использованием «ван-дер-ваальсовых зазоров», атомарно малых промежутков между слоистыми двумерными материалами. Эти промежутки могут удерживать молекулы или ионы, и материаловеды обычно используют их для вставки или «интеркалирования» других элементов для настройки свойств материала. По сути в этих зазорах различные межмолекулярные силы, определяемые как силы Ван-дер-Ваальса, крепко удерживают нужные молекулы или атомы, как в случае нового материала. В частности, учёные поместили между селенидом германия (GeSe) и сульфидом олова (SnS) атомы меди нулевой валентности.

«Его быстрый отклик и повышенная эффективность убедительно указывают на потенциал Cu-интеркалированного GeSe/SnS в качестве квантового материала для использования в передовых фотоэлектрических решениях, предлагая возможности для повышения эффективности преобразования солнечной энергии, — говорят разработчики. — Это многообещающий кандидат для разработки высокоэффективных солнечных элементов следующего поколения, которые сыграют решающую роль в удовлетворении глобальных потребностей в энергии».

Магнитная левитация широко используется для скольжения без трения в игрушках, приборах, фурнитуре и даже в поездах (маглевах). Но всё это работает от внешних источников питания и иногда очень мощных, если мы говорим о сверхпроводящих магнитах для левитирующих поездов. С постоянными магнитами чуть проще, но там свои ограничения. Учёные из Японии попытались соединить оба магнитных эффекта в одном устройстве и кое-что из этого вышло.

Источник изображений: OIST

Для своего исследования учёные из Окинавского института науки и технологий (OIST) взяли обычный графит. Этот материал известен своими диамагнитными свойствами. Он может приобретать намагниченность в наведённом магнитном поле и благодаря ей на некоторое время приобретает способность левитировать над магнитами. Это свойство появляется вместе с возникновением вихревых токов в материале. Правда, эти токи быстро иссякают ввиду высокой проводимости графита, но это оказалось поправимо.

Материал под электронным микроскопом (зелёный — это оксид кремния вокруг графита)

Японцы заключили крупицы графита в оболочку из оксида кремния, который является отличным диэлектриком. Затем они с помощью воска создали из таких крупинок пластинки площадью по 1 см². Придав площадкам намагниченность, им создали условия для левитации над постоянными магнитами. Благодаря хорошей токоизоляции крупинок графита в материале, вихревые токи в них долго не затухали, обеспечивая образцам достаточно длительную левитацию без внешней подпитки.

В поездах на магнитных подушках подобный материал вряд ли появится. Всё-таки, там другой уровень энергии и мощностей. Но эта технология может найти применение в датчиках — силы, ускорения и других. Возможны даже датчики с обратной связью, хотя в этих случаях придётся использовать питание. Зато этим можно будет увеличить чувствительность измерений вплоть до использования в квантовых системах, уверены учёные.

Мы слышим о разработке метаматериалов, свойства которых так причудливы, что они сочетают несочетаемые в природе характеристики от твёрдости и упругости до невидимости, звукоизоляции и других. Учёные из США проделали нечто подобное в области жидких веществ. Созданную в Гарварде метажидкость можно программировать на те или иные качества: менять вязкость, прозрачность, силу сжатия или даже превращать из ньютоновской в неньютоновскую и обратно.

Источник изображения: Adel Djellouli/Harvard SEAS

С метаматериалами всё просто, если так можно сказать. Их характеристики определяет продуманная структура из более мелких компонентов. Форма, размер и расположение этих компонентов позволяют манипулировать распространением электромагнитных или звуковых волн, создавать усилие в определённых точках и расслаблять в других. Если учесть тот факт, что жидкости текут и принимают форму ёмкости, то метажидкости могут проявить себя там, где твёрдые метаматериалы себя ещё не проявили или в принципе не могут проявить.

«В отличие от твёрдых метаматериалов, метажидкости обладают уникальной способностью течь и приспосабливаться к форме своего контейнера, — говорит Катя Бертольди (Katia Bertoldi), первый автор исследования, учёный из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS). — Нашей целью было создать метажидкость, которая не только обладает этими замечательными свойствами, но и обеспечивает платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».

Предложенная учёными метажидкость представляет собой взвесь наполненных воздухом шариков из эластомера диаметром от 50 до 500 мкм. Крошечные шарики помещены в раствор силиконового масла. Если к контейнеру с шариками приложить давление, то они будут сжиматься и снова принимать круглую форму, когда давление спадёт. Каждое из этих двух состояний придаёт метажидкости свои уникальные свойства.

Например, когда давления нет, шарики остаются круглыми и рассеивают падающий на них свет. С подачей давления шарики принимают плоскую линзоподобную форму и начинают пропускать фоновое изображение. На данном эффекте можно представить работу цветных электронных чернил. Или другой пример — это кисть робота с обратной связью для мягкого захвата хрупких предметов. Метажидкость автоматически без датчиков давления только за счёт своей способности реагировать на внешнее давление регулирует силу сжатия: одну при съёме ягод, другую при сборе яиц и третью при подъёме тяжестей.

Также предложенная учёными метажидкость может переключаться между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями. Когда капсулы имеют сферическую форму — это ньютоновская система, то есть её вязкость меняется только с температурой, подобно воде, но когда они сжимаются, жидкость становится неньютоновской, что заставляет её вязкости действовать по другим законам.

Кроме представленных выше примеров метажидкость может использоваться в амортизаторах, которые получат способность рассеивать энергию удара и даже в водяных компьютерах, играя роль логики. Наконец, даже свойства придуманной метажидкости можно будет менять в широких пределах, меняя лишь размер шариков в ней, о чём учёные рассказали в работе, опубликованной в журнале Nature.

Альтернативная энергетика, высокопроизводительные вычисления и электротранспорт — все эти сферы деятельности для сохранения своего прогресса нуждаются в новых материалах. Власти Евросоюза намерены найти взаимовыгодные точки соприкосновения с Японией в сфере материаловедения, и предлагают создать условия для сотрудничества в сфере профильных исследований между двумя регионами.

Источник изображения: Unsplash, ThisisEngineering RAEng

Об этом агентству Nikkei стало известно со слов Илианы Ивановой (Iliana Ivanova) — еврокомиссара по вопросам инноваций и исследований. Во многом эта инициатива направлена на повышение суверенитета Евросоюза и Японии с точки зрения доступа к источникам сырья, поскольку в той же отрасли электротранспорта регионы сильно зависят от Китая, поставляющего значительную часть редкоземельных элементов на мировой рынок. Последние, помимо прочего, используются при производстве литийионных тяговых батарей для электромобилей.

По словам европейской чиновницы, Япония и ЕС по-прежнему лидируют по признаку количества инноваций в сфере материаловедения. В 2020 году в Европе было инвестировано в соответствующую сферу почти 20 млрд евро, японские инвестиции в эту сферу составили 14 млрд евро. Обе стороны могли бы наладить взаимовыгодное сотрудничество в данной области науки и обмениваться информацией. Инициатива пока получила временное обозначение «Диалог по передовым материалам» (Dialogue on Advanced Materials), она подразумевает взаимодействие научно-исследовательских институтов Европы и Японии. Сферы сотрудничества охватят энергетику, транспорт, строительство и электронику.

Одним из перспективных направлений станет совместная разработка натриево-ионных аккумуляторов, которые не только дешевле в производстве традиционных литийионных, но и не содержат редкоземельных металлов, поставляемых из Китая. Снижение зависимости Европы и Японии от Китая по сырьевым направлениям является одной из главных целей предлагаемой инициативы. Ещё одно из направлений касается повышение эффективности работы солнечных панелей, поскольку Европа весьма заинтересована в переходе на возобновляемые источники энергии, а сейчас позиции китайских поставщиков сильны и в этой сфере. Япония и ЕС также готовы способствовать формированию отраслевых стандартов в области материаловедения.