Znajdź zawartość

W Lawrence Berkeley National Laboratory powstał nowy kompozytowy materiał, który ułatwi przechowywanie wodoru. Składa się on z nanocząsteczek metalicznego magnezu naniesionych na poli(metakrylan metylu). Najważniejszą właściwością kompozytu jest możliwość szybkiego wiązania i uwalniania wodoru w niewysokich temperaturach bez jednoczesnego występowania zjawiska utleniania metalu. To bardzo ważny krok, znacznie udoskonalający metody przechowywania wodoru na potrzebny produkcji energii. Nasza praca dowodzi, że jesteśmy w stanie zaprojektować nanokompozytowe materiały, które pokonują podstawowe bariery termodynamiczne i kinetyczne - mowi Jeff Urban, jeden z autorów badań. W pracach nad kompozytem brali też udział Christian Kisielowski, Ki-Joon Jeon, Anne Ruminski, Hoi Ri Moon i Rizia Bardhan. Szczegółowe informacje na temat nowego kompozytu zostały ujawnione w artykule "Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without heavy metal catalysts" w Nature Materials.

Czy szkło może być wytrzymalsze od stali? Jak pokazują badania, tak, jeśli jest to „szkło metaliczne" (inaczej mówiąc: metal amorficzny). Niełatwo jest takie szkło otrzymać, ale jego parametry kuszą przełomem w technologii materiałowej. Tradycyjne, znane nam szkło różni się od większości materiałów tym, że posiada strukturę amorficzną: to znaczy w postaci stałej nie formuje kryształów, lecz jego cząstki są rozmieszczone bezładnie, podobnie jak w cieczy (dlatego nazywa się je czasem, z pewną przesadą, „zestaloną cieczą"). Taka struktura materiału posiada wiele zalet, ale ma też wielką wadę: kruchość. Wzmacnianie szkła pozwala tę wadę częściowo zniwelować, ale bardziej obiecujące wydaje się podejście odwrotne: nadanie metalom struktury amorficznej, podobnej do szkła. Jest to bardzo trudne, jako że metale stygnąc formują regularne struktury. Jedynym znanym sposobem na „oszukanie" metalu jest tak szybkie jego schłodzenie, aby nie zdążył takiej regularnej struktury uformować. Nad nową generacją takich materiałów pracuje zespół złożony z naukowców trzech amerykańskich placówek: U.S. Department of Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) oraz California Institute of Technology (CalTech). Metaliczne szkło jest wyjątkowo wytrzymałe, niestety dziedziczy główną wadę amorficznej struktury: kruchość. W materiałach krystalicznych to właśnie struktura powstrzymuje pęknięcia przed powiększaniem się, w materiałach amorficznych niewielkie pęknięcie rozszerza się i powoduje rozpad całości. Metaliczne szkło stworzone głównie przez Mariosa Demetriou to nanostop wielu metali z domieszką palladu. Materiał ten posiada wyjątkową właściwość zmiany swojej struktury w miejscu pęknięcia lub rysy - początkowo jest amorficzna, lecz w miejscu powstającego uszkodzenia tworzą się mikroskopijne kryształy powstrzymujące pęknięcie przed rozszerzaniem się. Kluczem był taki dobór składu, aby energia wymagana do zmiany struktury amorficznej w krystaliczną była mniejsza niż potrzebna do rozszerzenia się uszkodzenia. Krystaliczne elementy przybierają formę „dendrytów", nie likwidując tym samym struktury amorficznej. Co ciekawe, najnowsza wersja materiału potrafi zmieniać fazę z amorficzną na krystaliczną również w wyniku zginania, zapobiegając pęknięciu również w takich sytuacjach. Ponieważ badania trwają, naukowcy spodziewają się osiągnięcia jeszcze bardziej wytrzymałych materiałów. Problemem też nadal jest rozmiar osiąganych elementów - ponieważ ich produkcja wymaga wciąż bardzo szybkiego schładzania, bardzo ogranicza to możliwości. Stop złożony z palladu, krzemu, fosforu i germanu pozwala na stworzenie próbek o średnicy nie przekraczającej milimetra. Dodanie do stopu srebra pozwoliło osiągnąć przełomowy rozmiar sześciu milimetrów, co obrazuje skalę problemu. Domieszkowanie na na celu „zdezorientowanie" stopu, który „nie wiedząc" jaką ma właściwie przyjąć strukturę, łatwiej przyjmuje postać amorficzną.

Odkąd Mendelejew odkrył, że właściwości pierwiastków układają się w regularny sposób, wiele ich cech można było po prostu przewidzieć. Niestety, nie wszystko i do dziś niektóre przewidywania nie zostały potwierdzone, choć intensywne badania trwają. Wiele tajemnic kryje się jeszcze we właściwościach izotopów pierwiastków, czyli form posiadających różną liczbę neutronów w jądrze. Część izotopów jest stabilna, część się wolniej lub szybciej rozpada, ale pierwiastki cięższe od ołowiu nie posiadają w ogóle izotopów stabilnych, czyli są mniej lub bardziej promieniotwórcze. Pierwiastki zyskują stabilność wtedy, gdy ich protony lub neutrony występują w pewnych określonych liczbach, czyli w pełni „zamykają" powłoki nukleonowe. Te liczby nazywane są magicznymi, a pierwiastek z obiema liczbami (protonów i neutronów) magicznymi będzie superstabilny. Tak głosi hipoteza tak zwanej „wyspy stabilności", której naukowcy szukają od lat. Przewidywana wyspa stabilności na układzie okresowym pierwiastków prezentuje się właśnie jako zamknięty obszar wśród izotopów niestabilnych. Nad uzyskaniem stabilnych izotopów superciężkich pierwiastków pracuje międzynarodowy zespół, który choć nie dopłynął jeszcze do „wyspy", osiągnął wiele sukcesów. Pracuje w nim dwudziestu naukowców z Berkeley Lab, UC Berkeley, Lawrence Livermore National Laboratory, niemieckiego GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research, Oregon State University, i norweskiego Institute for Energy Technology; pod kierunkiem Heino Nitsche z Berkeley Lab's Nuclear Science Division (NSD). Ostatnie ich osiągnięcie to uzyskanie sześciu nowych izotopów pierwiastków: ruthefordu (l.a. 104), seaborgu (106), hasu (108), darmsztadtu (110), copernicium (112) oraz nie posiadającego jeszcze nazwy pierwiastka o liczbie atomowej 114 (nazywanego tymczasowo od liczby protonów ununquadium). Nowe pierwiastki „produkuje" się przy pomocy cyklotronu, ta grupa używa 88-calowego cyklotronu w Berkeley. Nowe izotopy uzyskano bombardując tarcze z plutonu 242 (posiadającego 242 nukleony: protony i neutrony) strumieniem rozpędzonych cząsteczek ciężkiego wapnia 48. Poza intensywnym bombardowaniem ze ściśle określonymi parametrami poszukiwanie nowych izotopów wymaga odpowiedniej aparatury detektora, który odsieje nieprzydatne cząstki i wyłowi nieliczne interesujące, poszukiwane atomy. Najciekawszym na razie osiągnięciem zespołu jest nowy izotop ununquadium (większość jego członków pracowała w zespole, który ten pierwiastek odkrył). Najcięższy do tej pory odkryty izotop to ununquadium 298, wywołuje on tak wiele zainteresowania, ponieważ zbliża się już do od dawna poszukiwanego ununquadium 298. Czemu akurat 298? Ponieważ, według dotychczasowych przewidywań taki właśnie izotop osiągnie mityczną wyspę stabilności, czyli nie będzie podlegał rozpadowi promieniotwórczego. Sami członkowie zespołu studzą jednak entuzjazm i to z dwóch powodów. Po pierwsze, uważają, że do stworzenia ununquadium 289 posiadany przez nich cyklotron jest zbyt słaby i potrzebne będą większe moce. Po drugie, niektóre teorie przewidują, że stabilność mogą osiągnąć dopiero pierwiastki posiadające w jądrze 120 lub 126 protonów. A do nich jeszcze jest dość daleko. Wygląda więc, że odyseja po morzu izotopów w poszukiwaniu wyspy stabilności jeszcze potrwa.

Lodówka to urządzenie obecne w każdym domu. Od wielu dekad chłodziarki w zasadzie niewiele się zmieniają, a są jedynie udoskonalane. Niemal każda to chłodziarka sprężarkowa (urządzenia absorpcyjne i adsorpcyjne też zaliczają się do sprężarek). Są jeszcze, wykorzystywane w innych dziedzinach, ogniwa Peltiera i to w zasadzie wszystko. Na odległym horyzoncie pojawia się jednak możliwość wykorzystania rozmagnesowywania adiabatycznego. Co to takiego? Rozmagnesowanie adiabatyczne wykorzystuje do chłodzenia tzw. efekt magnetokaloryczny. Choć znany jest on od ponad stulecia, nie znalazł wielu zastosowań, choć przydaje się jako środek pomocniczy, na przykład do osiągnięcia temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Problem jest ten sam, co w przypadku praktycznego wykorzystania nadprzewodnictwa - znalezienie odpowiednich materiałów. Efekt magnetokaloryczny to zjawisko, w którym specjalny materiał gwałtownie obniża swoją temperaturę podczas przejścia przez zmienne pole magnetyczne. Proces ten nie wymaga części mechanicznych ani stosowania gazów szkodliwych dla środowiska, aparatura wykorzystująca rozmagnesowanie adiabatyczne nie zużywa się, jest wydajniejsza o 40% od tradycyjnych metod i energooszczędna. Zajmuje także mniej miejsca od sprężarek. Czemu jeszcze nie znalazła powszechnego zastosowania? Żeby można było skonstruować domową lodówkę, potrzebna jest możliwość dość dużego obniżenia temperatury. Dziś, choć znamy sporo metali i ich stopów, które wykazują efekt magnetokaloryczny, żaden z nich nie jest aż tak wydajny, jak potrzeba. Znalezieniem odpowiednich materiałów zajmują się naukowcy z Narodowego Laboratorium Berkeley Lawrence'a (Lawrence Berkeley National Laboratory), między innymi Sujoy Roy, Jeff Kortright i Elizabeth Blackburn. Choć do osiągnięcia celu nadal jest daleko, odnotowali już znaczące sukcesy. Badany przez nich stop niklowo-manganowo-galowy po domieszkowaniu miedzą wykazał bardzo duży efekt magnetokaloryczny. Kłopot w tym, że nie wiadomo, dlaczego taka, czy inna domieszka powoduje taki, czy inny skutek. Zasada działania rozmagnesowania adiabatycznego jest w zasadzie tajemnicą. Sujoy Roy przyłączył się do zespołu Kortrighta i Blackburn właśnie po to, żeby pomóc zgłębić zagadkę. Przy użyciu rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej i innych zaawansowanych technik badawczych posunięto się do przodu. Badano jak zmieniają się miejscowe właściwości elektryczne i magnetyczne poszczególnych pierwiastków przy zmianach składu stopu. Wiadomo już, że wraz z domieszkowaniem miedzi wiązania pomiędzy nikle i galem stają się mocniejsze, zaś właściwości magnetyczne stopu zmieniają się. Czemu jednak domieszka miedzi stanowi taki dopalacz efektu magnetokalorycznego - nie wiadomo. Jak tłumaczy Roy, badania wciąż znajdują się na bardzo wczesnym stadium. Zrozumienie, co zachodzi na poziome atomów i cząstek, jaka ich właściwość wpływa na siłę efektu pozwoli na opracowanie takich stopów, które pozwolą na zastosowania produkcyjne. Wtedy chłodzenie przez rozmagnesowanie adiabatyczne trafi nie tylko do kuchennych lodówek i zamrażarek, ale też do klimatyzatorów, komputerów i przemysłu. Nie stanie się to na pewno w ciągu najbliższych kilku lat, ale naukowcy są przekonani, że wreszcie to nastąpi.

Po dekadach dominacji lamp kineskopowych, żarówek i nielicznych świetlówek obserwujemy od kilku lat przyspieszony rozwój technologii. Żarówki są zastępowane przez świetlówki kompaktowe, zaczynają się też pojawiać żarówki LED. Kineskopy odeszły do lamusa, wyparte przez płaskie panele LCD i plazmowe. O krok stoi kolejna technologia, która może zrewolucjonizować zarówno wyświetlacze, jak i technikę oświetleniową: OLED, czyli diody organiczne. Diody OLED (Organic light-emitting diodes) opierają się na organicznych lub polimerowych materiałach półprzewodnikowych. Oferują niewielki pobór prądu i niewielką grubość wyświetlaczy. Pierwsze ekrany na diodach organicznych już wielu z nad miało w ręku - od niedawna są wykorzystywane w telefonach komórkowych. Niestety, zwiększenie ich rozmiaru wymaga jeszcze bardzo wielu usprawnień, a wykorzystanie ich do oświetlania pomieszczeń jest jeszcze krok dalej. Białe światło, jak wiadomo ze szkoły, jest mieszaniną światła o różnych długościach fali. Tak też otrzymuje się diody świecące na biało: jako połączenie trzech diod: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Niestety, te zakresy światła zachodzą na siebie, źródła poszczególnych barw zakłócają się nawzajem, pogarszając jakość koloru i barwę światła. Do tej pory problemem pozostaje też niezadowalająca jeszcze żywotność takich konstrukcji. Niedawno pojawiła się nowa jakość w tej materii. Inżynierowie z Lawrence Berkeley National Laboratory na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley wykorzystali polimerowe nanocząsteczki do usprawnienia technologii OLED. Wykonana przez nich cienka warstwa świecąca wykorzystuje „wtrącenia" cząsteczkami irydu jako źródła widzialnego światła o różnych kolorach. Nanocząstki polimerów otaczają cząsteczki irydu i izolują je od siebie, nie pozwalając na interferencje. W ten sposób każde z miniaturowych źródeł światła działa bez zakłócania pracy sąsiednich, dając w efekcie czystą, białą luminescencję. To jasne i proste podejście do uzyskania izolacji cząstek luminoforu w nanoskali otwiera nowe możliwości łatwego wytwarzania białych, oświetleniowych paneli OLED - mówi Biwu Ma, członek naukowej ekipy Molecular Foundry's Organic Nanostructures Facility, który brał udział w badaniach. To na razie jedynie przykład możliwości, jakie daje nowa technika, ale Ma wraz ze współpracownikami planuje już kolejne usprawnienia. Celem następnych badań jest zwiększenie efektywności i jasności paneli OLED przez różnicowanie koloru poszczególnych nanocząstek Pozwoli to ponadto na płynną zmianę barwy światła, od ciepłej, po chłodną, co nareszcie pozwoliłoby zastosować diody organiczne do oświetlania pomieszczeń. O jest o co walczyć, bo oświetlenie budynków w Stanach Zjednoczonych to źródło ponad 40% emitowanego dwutlenku węgla. Zatem zastąpienie choćby niewielkiej części żarówek panelami OLED wydatnie zmniejszyłoby emisję gazów cieplarnianych. Do osób mniej przejmujących się ekologią bez wątpienia zaś przemówią znacząco mniejsze rachunki za prąd.