Вокруг Науки Техники

Flanger · 17 ноября, 2021

Цитата

Учёные смогли увеличить скорость зарядки литий-ионных батарей в 10 раз

По словам исследователей из Университета Твенте, использование ниобата никеля в качестве анодного материала может повысить скорость зарядки литий-ионных батарей в десять раз без риска повредить устройство или сократить срок его службы.

Раньше ученые искали компромисс между скоростью зарядки и плотностью энергии в аккумуляторе. Больше в этом нет необходимости

Ниобат никеля (NiNb2O6) обладает очень привлекательными свойствами — даже после многих циклов сверхбыстрой зарядки он возвращается к исходному состоянию. Это связано с его регулярной кристаллической структурой, в которой каналы для переноса заряда идентичны, что позволяет более эффективно переносить электроны.

Это соединение работает лучше стандартного анодного материала — графита. Конечно, с графитом просто работать, но после нескольких циклов быстрой зарядки он начинает разрушаться — батарея начинает изнашиваться и исходный уровень заряда вернуть не получится.

В Университете Твенте ищут альтернативы среди наноструктурированных материалов: однако, каналы переноса заряда могут быть организованы случайным образом, что может привести к неожиданным эффектам, например, к отложению лития на материале анода. Это, в свою очередь, приводит к снижению производительности после каждого цикла заряда-разряда. Кроме того, производство новых наноструктурированных материалов нельзя назвать простым. Но ниобата никеля это не касается — для его производства даже не требуется инфраструктура чистых помещений.

Высокая скорость зарядки и разрядки сказывается на весе батареи и плотности запасаемой энергии. Ниобат никеля обеспечивает более высокую объемную плотность энергии, чем графит. Тесты с различными материалами катода показали, что этот материал идеально подходит для применения в электромобилях, где скорость зарядки играет решающую роль и повышает потребительскую привлекательность.

Flanger · 17 ноября, 2021

Flanger · 18 ноября, 2021

Flanger · 22 ноября, 2021

Flanger · 22 ноября, 2021

Flanger · 23 ноября, 2021

Flanger · 25 ноября, 2021

Flanger · 25 ноября, 2021

Цитата

Появилось сверхтвердое стекло, которое прочнее алмаза, и его легко производить

Авторы новой работы использовали дробленные молекулярные сферы из углерода, чтобы создать новый материал, который также обладает высокой теплопроводностью — его можно использовать в электронике.

Углерод — это универсальный инструмент, из которого можно сделать множество стабильных структур в различных атомных конфигурациях — от графена до алмаза. Это могут быть повторяющиеся кристаллические узоры или аморфные, как стекло. Сами атомные связи могут образовываться в двух или трех измерениях — это определяет твердость материала. Но есть формы, например, алмазное стекло, которые сложнее изготовить, чем другие.

Мы давно изучали, как синтезировать аморфный углеродный материал с трехмерными связями. Хитрость заключается в том, чтобы найти правильный исходный компонент.

Если поместить графит под высокое давление, то получится кристаллическая решетка алмаза. Было бы логично использовать алмаз для изготовления алмазного стекла, но его температура плавления 4,227 °C — это слишком высоко для практического использования. Поэтому авторы искали такую форму углерода, которая могла бы стать достаточно атомарно неупорядоченной, прежде чем подвергнуться давлению.

Так исследователи пришли к фуллерену или бакиболу — это молекулярное соединение, которое выглядит как выпуклые замкнутые многогранники. Он состоит из 60 атомов углерода, расположенных в форме полого футбольного мяча.

buckminsterfullerene_animated.gif
Команда нагревала его до тех пор, пока шар не превратился в хаотичный набор. Далее вещество поместили под давление. В результате получилось алмазоподобное стекло. Его сделали в виде кусочков миллиметрового размера.

Прочность стекла составила 102 гигапаскалей. Это выше, чем природный алмаз, но ниже, чем AM-III — форма стекла, недавно синтезированная в Китае, она имела твердость до 113 гигапаскалей.

Команда также утверждает, что новое сверхтвердое стекло обладает самой высокой теплопроводностью из всех аморфных материалов — k 26. Также его можно синтезировать при температурах от 900 до 1000 °C, это находится в пределах досягаемости промышленного производства.

Flanger · 26 ноября, 2021

Flanger · 26 ноября, 2021

Цитата

Генетики научили кишечную палочку делать «нефть» из сахаров.

Несмотря на повальный отказ от двигателей внутреннего сгорания на транспорте, человечество вряд ли сможет когда-либо полностью отказаться от нефти. Потому что далеко не все ископаемые углеводороды уходят на топливо, значительная их часть — сырье для химической промышленности, производства пластиков, смазки и медицинских изделий. Так что ученые давно ищут способы создания экологичной «нефти» — например, с помощью бактерий.

Кишечная палочка под электронным микроскопом / ©Janice Haney Carr, CDC

На этом поприще значительного успеха достигла международная команда химиков и генетиков под руководством Мишель Чан (Michelle C. Y. Chang). В нее вошли специалисты из университетов трех стран: американских — Калифорнийского в Беркли, Миннесотского, Нью-Йоркского в Буффало, китайского — Уханьского, а также Научно-исследовательского института химической технологии Южной Кореи (KRICT). Статья с результатами их работы опубликована в журнале Nature Chemistry.

Все живые организмы производят огромное количество соединений, состоящих в основном из углерода и водорода, — это основа биологии. Проблема в том, что эти молекулы содержат еще много кислорода (поэтому называются углеводами), а также дополнительных элементов, зачастую и определяющих их роль в метаболизме. Однако химической промышленности нужны более простые углеводороды, а для этого углеводы необходимо лишить «примесей» в процессе различных преобразований, которые требуют значительных затрат энергии.

Чтобы обойти эту проблему, ученые обратились к известным энзимам, позволяющим бактериям синтезировать чистые углеводороды или их прекурсоры. Подходящие белки нашлись у микроба Treponema denticola, вызывающего пародонтит у людей. Ответственные за их выработку гены внедрили в один из самых популярных модельных организмов — кишечную палочку. Модифицированные бактерии смогли без значительного ущерба для основного метаболизма переработать около 8% глюкозы в две жирные кислоты — 3-гидроксиоктановую и 3-гидроксидекановую (мирмикацин).

Эти молекулы, в свою очередь, сравнительно легко преобразуются в гептен и нонен, соответственно — ациклические непредельные углеводороды (алкены), которые могут служить полноценной заменой нефти в промышленности. Фактически из них во время хорошо отработанных и эффективных химических процессов уже легко получаются почти все необходимые длинноцепочечные и короткоцепочечные углеводороды. А далее — хоть пластики делать, хоть смазки, хоть топливо для различных двигателей внутреннего сгорания.

Да, переработка всего 8% массы глюкозы в эрзац-нефть — еще далеко от промышленной эффективности. Однако исследователи пока не стремились создать полноценный техпроцесс: они проверяли работоспособность концепции. Поэтому в подопытные бактерии внедрили всего пять генов и сделали это так, чтобы не нарушать уже существующие обменные процессы в микроорганизмах. То есть углеводороды появлялись в качестве побочного продукта метаболизма микробов. В следующих экспериментах ученые планируют разработать более сложные модификации кишечной палочки, позволяющие полноценно «перенастроить» ее на выработку «бионефти».

Более того, технология помогает буквально запрограммировать бактерии на создание молекул с необходимой длиной цепочки атомов углерода в ней. Делается это просто, быстро и может открыть огромные перспективы в химической промышленности.

Авторы научной работы делают осторожное предположение, что не за горами разработка совершенно новых видов пластика на основе менее длинных полимеров, произведенных в бактериальных реакторах. Такие материалы должны быть проще в переработке и утилизации, а значит, экологичнее.

Flanger · 28 ноября, 2021

Flanger · 28 ноября, 2021

Ручной аналоговый диктофон

Flanger · 29 ноября, 2021

Цитата

Исследователи из Тяньцзиньского университета в Китае изобрели пластик на основе ДНК, который поддается биологическому разложению и легко перерабатывается. Производится такой материал с добавлением спермы лосося и растительного масла, сообщает Euronews.

По словам ученых, созданный ими пластик — наиболее экологически чистый. «Насколько нам известно, представленный нами ДНК-пластик — самый экологически устойчивый из всех существующих пластмасс», — сказал ведущий автор исследования Дайонг Ян.

Такой материал можно перерабатывать сколько угодно раз, он легкий, прост в изготовлении и производит на 97% меньше выбросов углерода по сравнению с традиционным пластиком.

Новинку производят, соединяя короткие нити ДНК спермы с химическим веществом, полученным из растительного масла — в итоге появляется гелеобразный материал, которому можно придать любую форму. Далее материал подвергается сублимационной сушке, в результате которой из него удаляется вода и он застывает.

Когда вещь больше не нужна, ее можно переработать, погрузив в воду. Пластик снова станет гидрогелем, пригодным для повторного использования. Например, из такого материала можно производить упаковку для техники и прочих вещей, которые рекомендуют хранить в сухом месте.

В качестве сырья может использоваться не только сперма лосося, но также отходы сельскохозяйственных культур, водоросли и бактерии.