В Китае начали массово выпускать квантовые однофотонные детекторы для радаров, датчиков и связи завтрашнего дня

В Китае квантовые технологии скоро станут широко доступными. По-другому сложно назвать те достижения, о которых сообщают китайские источники. В стране приступили к массовому производству квантовых однофотонных детекторов, способных улавливать одиночные фотоны и измерять их квантовые характеристики. Такие детекторы приведут к появлению предельно точных погодных и научных датчиков, защищённой связи и радаров малозаметных целей.

После многих лет экспериментов было разработано усовершенствованное и первое в мире устройство в виде четырёхканального однофотонного детектора со сверхнизким уровнем шума. Прибор, созданный Исследовательским центром квантовой информационной инженерии в провинции Аньхой (Quantum Information Engineering Technology Research Centre in Anhui), способен улавливать квант света (электромагнитной волны) — один фотон. Это как различить звук упавшей песчинки посреди грозового раската. Подобная технология служит основой для реализации квантовой связи и квантового радара.

Представленный детектор одиночных фотонов опирается на фундаментальные законы квантовой механики, которые запрещают «клонирование» их свойств. Иными словами, приём отражённых от цели или от приёмника передачи данных фотонов гарантирует истинность их квантовых состояний. Такой сигнал нельзя подделать и, следовательно, невозможно внести искажения в показания радара при обнаружении стелс-цели или при установке защищённого канала связи в условиях радиопомех. Кроме того, подобные датчики способны с невообразимой точностью получать данные о химическом и физическом составе объекта или среды, что важно для метеорологических наблюдений.

Впервые китайские учёные продемонстрировали работу квантового радара в 2016 году, обеспечив однофотонное обнаружение цели на дальности более 100 км. Новый датчик работает одновременно по четырём каналам приёма, фиксируя фотоны либо от четырёх различных источников, либо от одного, что повышает точность измерений. Установка фильтров на каждый канал позволит работать одновременно в четырёх диапазонах с фотонами разной длины волны. Это первый в мире четырёхканальный прибор, тогда как ранее промышленно изготавливались только одноканальные, что осложняло создание масштабных систем и их эксплуатацию.

Новое устройство примерно в десять раз меньше предыдущих приборов аналогичного назначения и, что более важно, обладает повышенной чувствительностью к обнаружению квантов света. Значительным успехом стало создание криогенной установки «размером с кулак» для охлаждения рабочих узлов детектора, которая снижает температуру до –120 °C.

Детекторы уже используются ведущими китайскими исследовательскими институтами, и теперь центр способен производить и поставлять их серийно. «В будущем мы предоставим “китайское решение” для крупных проектов, таких как квантовая коммуникационная сеть следующего поколения», — сообщили разработчики. Также сверхчувствительный детектор может найти применение в биофлуоресцентной визуализации, лазерной связи, измерениях в дальнем космосе и однофотонной визуализации. Это откроет окно в микромир, где всё можно будет буквально “пощупать” одним фотоном, визуализируя ранее невиданные вещи.

От свалки к научному прорыву: отработавшие шины превратили в зеленый водород и наноматериалы

Ежегодно в мире выбрасывается более 1,2 млрд изношенных шин, которые практически не поддаются разложению. Новый способ их утилизации путем преобразования резины в однослойные углеродные нанотрубки и водород предложили ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, университетов Китая и Российского квантового центра (РКЦ).

Резина востребована в строительстве, медицине и, конечно же, в автомобильной промышленности. Неизменная популярность автомобилей диктует ежегодное повышение объема производства порядка 5,3%. Ожидается, что в 2025 году в мире будет произведено 30 млн тонн шин. Если учесть, что их средний срок службы около пяти лет, то ежегодно 20–25% шинного парка выходит из употребления. При этом сама их утилизация представляет проблему. Из-за образования поперечных связей с участием серы в вулканизированном каучуке и наличия антиоксидантов использованные шины практически не поддаются разложению. Образуются огромные свалки и полигоны. Новые методы переработки позволят частично решить эти проблемы.

Есть два распространенных метода утилизации: переработка материала и рекуперация энергии. Первый предполагает измельчение или дробление до состояния резиновой крошки, которая является популярным материалом для покрытия, например, детских площадок. Рекуперация энергии заключается в использовании шин в качестве альтернативного топлива в цементных печах, на электростанциях и бумажных фабриках.

В последние годы все большее внимание уделяется газификации (термической переработке, в результате которой резина превращается в синтез-газ, сажу и пиролизное масло) и пиролизу (также термической переработке, но уже без кислорода). Эти методы направлены на получение и использование водорода (H2) для более экологичного энергоснабжения.

В качестве побочных продуктов пиролиза отработанных шин могут образовываться различные углеродсодержащие материалы, в том числе аморфный и графитовый углерод и даже углеродные нанотрубки, которые обладают удивительными физическими и химическими свойствами и имеют потенциал для использования в промышленности.

Ученые МФТИ и РКЦ, совместно с китайскими коллегами предложили метод преобразования старой резины в однослойные углеродные нанотрубки и газообразный водород (H2) с помощью химического осаждения из газовой фазы. Исследование опубликовано в журнале Carbon Neutralization.

«Утилизация резины позволяет преобразовать ее в новые материалы с заданными свойствами. В нашем случае это производство однослойных углеродных нанотрубок. Нам удалось синтезировать нанотрубки со схожими одинаковыми параметрами. Сами нанотрубки можно представить как свернутые слои углерода толщиной 1 атом. Они протяженные, но диаметр составляет не более 3 нанометров. В зависимости от диаметра и геометрии сворачивания они могут стать либо металлом, либо полупроводниками.

Что нам это дает? К примеру, чтобы сделать транзистор, нужен полупроводник, который позволит управлять движением электронов. А если мы создаем металлические нанотрубки, то они могут стать проводящими покрытиями: прозрачными или почти прозрачными», — рассказал о работе Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

В основе предложенного метода лежит использование пористого кобальтового катализатора на основе оксида магния (Co/MgO), полученного простым методом пропитки. Он отличается высокой дисперсностью металла и превосходными характеристиками. В результате термического разложения каучука образуются углеводороды и оксиды углерода. Затем на этапе катализа эти углеродсодержащие вещества служат источником для синтеза одностенных углеродных нанотрубок и при этом выделяется H2.

При оптимальных температурах реакций синтезированные нанотрубки демонстрируют узкое распределение хиральности (их геометрий) с долей нанотрубок с одинаковой геометрией (8,4) в 20,1%.

«Это значит, что из груды бывших покрышек мы получаем нанотрубки, которые можно применить в других областях. Если правильно подобрать параметры синтеза, можно создать трубки с одинаковыми свойствами, и благодаря этому использовать их, например, для электроники нового поколения. Это открывает широкое окно возможностей, которые мы тщательно исследуем. В нашем проекте китайская сторона синтезирует новые нанотрубки с различными свойствами. В Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ и в РКЦ мы занимаемся непосредственно изучением оптических свойств и на их основе даем рекомендации о возможном улучшении. Уже сейчас продемонстрирована вполне рабочая технология утилизации», — подчеркнул Александр Чернов.

(а) Изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа и (b) изображение с помощью просвечивающего электронного микроскопа углеродных нанотрубок, выращенных из натурального каучука при температуре 800 °C / © Carbon Neutralization

По сравнению с многослойными углеродными нанотрубками однослойные обладают превосходными оптическими и электрическими свойствами. Это делает их идеальными для таких областей применения, как прозрачные проводящие тонкие пленки, мембраны для фильтрации воды и современные композитные материалы. В то же время передовые приложения, такие как высокопроизводительные транзисторы, логические схемы требуют для использования трубки с узким распределением хиральности или даже полностью идентичные. Но на сегодняшний день достижение хирально-селективного синтеза остается по-прежнему серьезной задачей, которая решена только для отдельных геометрий. Для этого необходимы точно определенные наночастицы, диаметр которых должен соответствовать диаметру желаемых нанотрубок, а катализатор должен проявлять устойчивую активность в сложной газовой среде. В итоге прямой синтез нанотрубок с контролируемой хиральностью до сих пор сложная задача.

«Чтобы решить эту проблему мы используем для преобразования каучука пористый кобальтовый катализатор на основе оксида магния (Co/MgO). В итоге мы добились узкого распределения по хиральности. Важно отметить, что мы расширили этот подход, чтобы синтезировать высококачественные нанотрубки из отработанных шин разных типов и производителей. Насколько нам известно, это первая успешная демонстрация преобразования разного каучука в однослойные углеродные нанотрубки», — добавил Федор Максимов, аспирант и молодой инженер-исследователь лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Это исследование демонстрирует новый подход к переработке каучука в два продукта с высокой добавленной стоимостью: однослойные углеродные нанотрубки и Н2. Используя катализаторы Co/MgO, ученые успешно переработали разные типы отработанных шин и продемонстрировали универсальность подхода.

На «Севмаше» собрали уникальный глубоководный аппарат «Ясон»

Специалисты «Севмаша» завершили сборку уникального глубоководного аппарата «Ясон» под проектным номером 03660. Аппарат отправится на испытания, все этапы которых пройдут на базе «Курчатовского института». Причем часть узлов и систем уже проверены и полностью работоспособны.

Постройка минисубмарины велась на «Севмаше» с 2022 года, а основная часть специально для нее разработанного оборудования произведена на российских предприятиях — это движительно-рулевой комплекс, арматура, манипуляторы, аккумуляторные модули, гидроакустические средства и многое другое, хотя инженеры старались прибегать и к серийным, уже отработанным решениям.

Строился «Ясон» в интересах «Газпрома», который собирается использовать аппарат для различных работ в районах континентального шельфа у Сахалина, хотя рабочая глубина аппарата намного больше и достигает 2,2 км, так как его разработка изначально шла с учетом возможности работы в других морских акваториях.

В качестве ключевых задач «Ясона», экипаж которого состоит из командира и технического специалиста, называют широкий спектр работ, связанных с обслуживанием магистральных подводных газопроводов, что очень интересно «Газпрому», старающемуся уйти от использования водолазов, возможности которых ограничены температурой воды и глубинами.

Учёные сделали экологичный аккумулятор на витамине B2

Прогресс в развитии аккумуляторов движется по разным направлениям, включая поиск биоразлагаемых и безопасных для природы и человека ингредиентов батарей. Новым и перспективным открытием на этом пути стала разработка проточной батареи на основе процессов, имитирующих выработку энергии в теле человека. Более безопасную технологию просто трудно представить — основными составляющими процесса являются витамин B2 и глюкоза.

Витамин и ложка сахара буквально могут стать основой для нового поколения экологически чистых аккумуляторов. Об открытии в журнале ACS Energy Letters сообщили исследователи Бингемтонского университета в США (Binghamton University, SUNY). Разработка не использует металлические катализаторы и опасные соединения для электродов и электролита. Окисление глюкозы высвобождает электроны, а переносчиком зарядов выступает рибофлавин — обычный витамин B2. Примерно такие процессы происходят в организме человека, когда глюкоза из пищи с помощью ферментов и молекул превращается в энергию для поддержания жизни, а рибофлавин является её фактическим переносчиком.

Проточные аккумуляторы отличаются от обычных тем, что в них энергия накапливается в жидком электролите, который циркулирует по системе. Когда электролит перемещается между положительным и отрицательным электродами, он вступает в химические реакции, в результате которых энергия высвобождается или накапливается. Сегодня наиболее распространены ванадиевые проточные батареи. Прототип проточной батареи на витамине и глюкозе при комнатной температуре показал себя не хуже коммерческой ванадиевой, что подчёркивает хорошие перспективы разработки.

Более того, в новой конструкции биоразлагаемого аккумулятора традиционные катализаторы из золота и платины заменены углеродными электродами. У отрицательного электрода глюкоза окислялась, теряя электроны, которые тут же подхватывал витамин B2, а у положительного электроны вступали в связь благодаря кислороду либо феррицианиду калия, создавая ток. При этом витамин рибофлавин оставался стабильным даже в сильно подщелоченной среде, необходимой для поддержания активности глюкозы.

Элемент на основе феррицианида калия показал такую же удельную мощность при комнатной температуре, как и коммерческие ванадиевые проточные батареи. Это доказывает, что рибофлавин может работать наравне с системами на основе металлов. Версия на основе кислорода реагировала медленнее, но была более практичной и экономичной для крупномасштабного производства. Небольшой проблемой стало разрушение рибофлавина на свету в присутствии кислорода, но это решаемо. Привлекательной остаётся более высокая удельная мощность батареи в присутствии кислорода.

Напечатанный на 3D-принтере прототипе батареи на витамине и глюкозе. Источник изображения: Binghamton University

После доработки аккумуляторная система на основе рибофлавина и глюкозы может стать важным шагом на пути к устойчивому хранению энергии. Благодаря натуральным, биоразлагаемым и недорогим компонентам такие аккумуляторы однажды могут стать экологичной альтернативой для питания домов или небольших устройств без использования токсичных металлов и зависимости от сложных цепочек поставок.

Китайцы выпустили самую быструю робособаку: 10.9 м/с. От нее не убежишь.

Учёные преодолели ключевое ограничение натрий-ионных батарей с помощью нового анода

Учёные из США совершили значительный прорыв в технологии аккумуляторов, разработав оловянный анод, который позволяет натрий-ионным батареям превзойти по плотности энергии коммерческие литий-железо-фосфатные элементы. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и компании Unigrid Battery достигли выдающейся плотности энергии благодаря новой простой, но мощной конструкции. Полностью собранные ячейки в мягкой упаковке демонстрируют рекордные показатели в 178 ватт-часов на килограмм и 417 ватт-часов на литр.

Натрий-ионные батареи долгое время считались перспективной альтернативой литий-ионным, поскольку натрий является распространённым, недорогим и доступным материалом, что делает его устойчивым выбором для крупномасштабного хранения энергии. Однако главным сдерживающим фактором развития этой технологии оставалась ограниченная плотность энергии, во многом обусловленная использованием традиционных анодов из твёрдого углерода.

Для преодоления этого ограничения исследователи обратились к олову — металлу, способному образовывать высокоёмкие сплавы с натрием и хранить почти в три раза больше заряда. На практике оловянные аноды сталкивались с серьёзными проблемами, такими как большое объёмное расширение и плохая совместимость с электролитом, что приводило к быстрой деградации. Однако учёные выяснили, что для достижения стабильной работы потребовалась минимальная модификация: они использовали электрод из почти чистого олова, который создаёт высокопроводящую и механически стабильную структуру.

Новый оловянный анод продемонстрировал исключительную стабильность в паре с катодом из натрий-хромового оксида. Пакетные ячейки сохранили около 90% своей ёмкости после 100 циклов зарядки-разрядки, при этом было зафиксировано минимальное рост сопротивления. Микроскопические исследования показали, что в процессе циклов олово реорганизуется в более однородную и взаимосвязанную структуру, способствующую равномерному распределению натрия и подавлению деградации.

Учёные уверены, что оловянные аноды могут вывести натрий-ионные батареи на уровень конкуренции с ведущими современными технологиями. Это открытие может найти применение в таких областях, как накопление энергии, интеграция возобновляемых источников и электрическая мобильность.

Исследование было опубликовано в Journal of The Electrochemical Society.