Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Wodór w nanoostrzach

Recommended Posts

Na Rensselaer Polytechnic Institute trwają testy nowej obiecującej architektury do przechowywania wodoru. Nanoostrza mogą być używane wielokrotnie, bardzo szybko uwalniają i przyjmują wodór, a pracują przy znacznie niższych temperaturach niż podobne systemy. Dzięki tym właściwościom mogą okazać się przydatne przy konstruowaniu samochodów napędzanych wodorem.

Pierwsze nanoostrza na bazie magnezu stworzono w 2007 roku. W przeciwieństwie do nanowłókien są one asymetryczne. W jednym wymiarze są niezwykle wąskie, w innym bardzo szerokie. Pomiędzy nimi jest do 1 mikrometra wolnej przestrzeni.

Przechowywanie wodoru wymaga zastosowania dużych powierzchni. Dzięki temu, że nanoostrza są asymetryczne, można tę duża powierzchnię uzyskać.

Nanoostrza stworzono metodą chemicznego osadzania pod kątem z fazy gazowej. Nanostruktura jest uzyskiwana poprzez doprowadzenie materiału - w tym przypadku magnezu - do fazy gazowej, a następnie umożliwienie mu osadzania się na podłożu. Po ukończeniu procesu osadzania na powierzchni materiału umieszcza się metaliczne kryształy, które więżą wodór. Prototypowe ostrza pokryto palladem.

Departament Energii wysoko zawiesił poprzeczkę dla technologii przechowywania wodoru. Wszystkie nowe materiały muszą pracować w niskich temperaturach, szybko uwalniać wodór, mieć rozsądną cenę oraz nadawać się do recyklingu - mówi Yu Liu, jeden z badaczy.

Naukowcy odkryli, że nanoostrza uwalniają wodór już w temperaturze 67 stopni Celsjusza. Przy temperaturze 100 stopni Celsjusza cały wodór zostaje uwolniony w zaledwie 20 minut. Inne technologie wymagają zastosowania ponaddwukrotnie wyższej temperatury, by tak szybko uwolnić wodór.

Badania przeprowadzone za pomocą dyfrakcji odbiciowej wysokoenergetycznych elektronów (RHEED - reflection high-energy electron diffraction) oraz temperaturowo programowalnej desorpcji (TPD - temperature programmed desorption) wykazały, że prototypowe nanoostrza są w stanie wytrzymać ponad 10 cykli ładowania i rozładowywania.

Naukowcy będą teraz pracowali nad wydłużeniem żywotności ostrzy, gdyż wiedzą już, jaka jest przyczyna ich stopniowej degradacji.

Share this post


Link to post
Share on other sites

"...kryształy, które więżą wodór. Prototypowe ostrza pokryto paladem."

 

1. wiĄżą

2. paLLadem

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Międzynarodowy zespół naukowców odkrył, że atomy wodoru w wodorkach metalu są dużo gęściej upakowane niż uważano do tej pory. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do panujących w warunkach pokojowych. Tego rodzaju materiał nadprzewodzący, służący do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją, mógłby zrewolucjonizować efektywność energetyczną w szerokim zakresie zastosowań.
      W należącym do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL) naukowcy przeprowadzili eksperymenty rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym pod ciśnieniem atmosferycznym w zakresie temperatur sięgających od –268 stopni Celsjusza (5 K) do –23 stopni Celsjusza (250 K) – czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu. Wyniki pomiarów w żaden sposób nie zgadzały się z istniejącymi modelami. Prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, jeden z członków międzynarodowego zespołu badaczy, zaproponował nowy model tego wodorku. Model ten, poddany obliczeniom na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, pozwolił w prosty sposób wyjaśnić obserwacje eksperymentalne. Okazało się, że odległości pomiędzy atomami wodoru w badanym materiale wynoszą 1,6 angstrema, podczas gdy dotychczas ugruntowane przewidywania dla tych związków wyznaczały tę odległość na poziomie co najmniej 2,1 angstrema.
      Odkrycia międzynarodowego zespołu badaczy ze szwajcarskiego Laboratorium Badania Materiałów i Technologii EMPA, Uniwersytetu w Zurychu, Uniwersytetu Illinois w Chicago ORNL oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences.
      Uzyskana struktura atomowa posiada niezwykle obiecujące właściwości, ponieważ wodór znajdujący się w metalach wpływa na ich właściwości elektronowe. Inne materiały o podobnym upakowaniu atomów wodoru przechodzą w stan nadprzewodnictwa, ale tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach.
      Na przykład niedawno odkryty dekawodorek lantanu osiąga stan nadprzewodnictwa w temperaturze około –13 stopni Celsjusza, tyle że pod ciśnieniem 150 tysięcy MPa, czyli prawie półtora miliona razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne! Tak wysokie ciśnienie potrzebne jest, by zbliżyć do siebie atomy wodoru na odległość mniejszą niż 2 angstremy. Nam udało się pokazać, że wodór można upakować w taki sposób również pod ciśnieniem atmosferycznym. Co ciekawe – od ponad 40 lat panowało przekonanie, iż nie jest to możliwe, stąd badano materiały pod wysokimi ciśnieniami. Znalezienie substancji, która jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym, najprawdopodobniej pozwoli inżynierom wykorzystać go do projektowania powszechnie stosowanych systemów i urządzeń elektrycznych, jak na przykład tomografów rezonansu magnetycznego. Mamy nadzieję, że tani i stabilny stop w rodzaju wodorku cyrkonowo-wanadowego można będzie łatwo zmodyfikować w taki sposób, aby uzyskać nadprzewodzący materiał – wyjaśnia prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN.
      Badacze przeanalizowali oddziaływania atomów wodoru w dobrze poznanym wodorku metalu za pomocą wysokiej rozdzielczości wibracyjnej spektroskopii nieelastycznego rozpraszania neutronów wiązki VISION, pochodzącej ze spalacyjnego źródła neutronów laboratorium Oak Ridge w Stanach Zjednoczonych. Uzyskany sygnał widmowy, w tym znaczący wzrost intensywności przy energii około 50 milielektronowoltów, nie zgadzał się z przewidywaniami poczynionymi w ramach istniejących modeli teoretycznych.
      Przełom w zrozumieniu obserwacji nastąpił po wykonaniu obliczeń w Oak Ridge. Zaproponowany przez prof. Łodzianę model posłużył opracowaniu strategii analizy danych. Obliczenia wykonano na superkomputerze Titan, jednym z najszybszych tego typu urządzeń na świecie. Komputer ten zbudowany jest w oparciu o platformę Cray XK7 i działa z prędkością dochodzącą do 27 petaflopów (czyli 27 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Wykonanie takich obliczeń na komputerze domowym trwałoby około dwudziestu lat, a na najszybszym polskim superkomputerze Prometheus w ACK Cyfronet jakieś 3–5 miesięcy. Na maszynie Titan wyniki obliczeń otrzymaliśmy w niespełna tydzień – mówi prof. Łodziana.
      Przeprowadzone symulacje komputerowe, wraz z dodatkowymi eksperymentami wykluczającymi alternatywne wyjaśnienia, wykazały jednoznacznie, że nieoczekiwana sygnatura widmowa występuje tylko wtedy, gdy odległości między atomami wodoru są mniejsze niż 2 angstremy. Takiego zjawiska nigdy wcześniej nie zaobserwowano w wodorkach metalu dla ciśnień i temperatur charakterystycznych dla warunków pokojowych. Odkrycia zespołu stanowią więc pierwszy znany wyjątek od kryterium Switendicka w stopie bimetalicznym – czyli zasady obowiązującej dla stabilnych wodorków w warunkach standardowych, która mówi o tym, że odstęp między atomami wodoru nie może być mniejszy niż 2,1 angstrema.
      W kolejnych doświadczeniach naukowcy planują wzbogacić wodorek cyrkonowo-wanadowy większą ilością wodoru pod różnymi ciśnieniami, aby ocenić potencjalne nadprzewodnictwo badanego materiału.
      Czy zatem znajdujemy się u progu technologicznej rewolucji polegającej na znalezieniu materiału wykazującego właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej? Tego nie wiem, ale z pewnością udało nam się poczynić istotny krok w tym kierunku – przekonuje prof. Łodziana.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Parkując samochód na zewnątrz, zwłaszcza w okolicy, gdzie występują wiewiórki, warto od czasu do czasu zapobiegawczo zajrzeć pod maskę. Przekonała się o tym Holly Persic z Pensylwanii, która wybrawszy się autem do biblioteki, poczuła swąd spalenizny i miała wrażenie, że SUV wydaje dziwne dźwięki. Kobieta zadzwoniła do męża, który poradził jej, by zajrzała pod maskę. Okazało się, że w środku znajduje się cała masa orzechów czarnych i trawy - jednym słowem, wiewiórcze zapasy na zimę.
      Wyjęcie ponad 200 orzechów zajęło prawie godzinę. Później małżonkowie pojechali do warsztatu. Tam po rozmontowaniu podwozia udało się wyjąć resztę orzechów (dobre pół wiaderka). Te, które leżały na bloku cylindrów, były czarne i miały charakterystyczną woń spalenizny - opowiada Chris Persic. Na szczęście nie doszło do jakichś poważniejszych uszkodzeń.
      Skarb spod maski wyjaśnił, co się stało z orzechami, które spadły z dużego drzewa. Na ziemi nie pozostało ich za dużo, a Chris zachodził ostatnio w głowę, gdzie się podziały...

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naturalne drgania samochodu sprawiają, że ludzie stają się coraz bardziej senni. Wpływa to na koncentrację i czujność już po kwadransie za kierownicą.
      Zważywszy, że ok. 20% śmiertelnych wypadków ma związek ze zmęczeniem kierowcy, naukowcy z RMIT University w Melbourne liczą, że ich wyniki zostaną wykorzystane przez producentów samochodów do opracowania foteli wspomagających czujność.
      Prof. Stephen Robinson podkreśla, że dotąd nie rozumiano dokładnie wpływu drgań na kierowców (coraz więcej dowodów wskazywało jednak, że wibracje przyczyniają się do senności).
      Odkryliśmy, że delikatne drgania fotela podczas jazdy usypiają mózg i ciało. Nasze badanie pokazuje, że stałe wibracje o niskiej częstotliwości, czyli takie, jakich doświadczamy, prowadząc samochód czy ciężarówkę, stopniowo powodują senność nawet u osób, które są wypoczęte i zdrowe. Po 15 min [...] senność zaczyna działać. Po 30 min ma już znaczący wpływ na zdolność zachowania koncentracji i czujności.
      W eksperymentach Robinsona i prof. Mohammada Farda wzięło udział 15 ochotników. Przechodzili oni symulację monotonnej jazdy po 2-pasmowej autostradzie. Symulator ustawiano na platformie, która może drgać z różną częstotliwością. Badani przechodzili 2 testy. Raz częstotliwość drgań była niska (4-7 Hz), a raz drgań w ogóle nie było.
      Zmęczenie wywoływane przez drgania psychologicznie i fizjologicznie utrudnia wykonanie zadań, dlatego układ nerwowy musi to kompensować (pojawiają się np. zmiany tętna). Badając zmienność rytmu zatokowego (ang. heart rate variability, HRV), naukowcy mogli więc obiektywnie zmierzyć, jak bardzo ktoś czuł się senny w danym momencie godzinnego testu.
      Okazało się, że objawy senności pojawiają się w ciągu kwadransa. Po 30 min senność jest już znacząca (trzeba sporego wysiłku, by podtrzymać czujność i formę poznawczą). Zmęczenie narasta przez godzinę, osiągając szczyt po 60 min.
      Fard podkreśla, że dzięki większej próbie w przyszłości powinno się udać określić, jak wiek może wpływać na czyjąś podatność na senność wywołaną drganiami. Interesują nas też potencjalne oddziaływania problemów zdrowotnych, np. bezdechu sennego.
      Nasze badania sugerują także, że drgania w pewnych częstotliwościach mają odwrotne działanie i mogą podtrzymywać czujność. Chcemy więc przetestować większy zakres częstotliwości [...].

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W temperaturze 71 stopni Celsjusza można usmażyć jajko, giną bakterie salmonelli, a człowiek doświadcza oparzeń trzeciego stopnia. Taką właśnie temperaturę może osiągnąć deska rozdzielcza samochodu zaparkowanego w pełnym słońcu. Dwuletnie dziecko pozostawione w takim samochodzie może umrzeć w ciągu godziny.
      Badacze z Arizona State University i University of California San Diego przeprowadzili badania, w ramach których porównywali, jak różna typy samochodów nagrzewają się podczas letnich dni pozostawione w miejscach o różnym stopniu nasłonecznienia i zacienienia. Przeprowadzono też symulację wpływu temperatur w samochodach na pozostawione w nich 2=-letnie dziecko.
      Nasze badanie nie tylko pokazało nam różnice temperatury w samochodach pozostawionych w cieniu i na słońcu, ale wykazało również, że małe dziecko może umrzeć nawet, jeśli samochód, w którym je zostawiliśmy, będzie zaparkowany w cieniu, mówi profesor klimatologii Nancy Selover z Arizona State University. Każdego roku w Stanach Zjednoczonych umiera średnio 37 dzieci pozostawionych w samochodach.
      Podczas badań wykorzystano dwa identyczne srebrne sedany średniej wielkości, dwa identyczne srebrne małe samochody osobowe i dwa identyczne srebrne miniwany. Podczas gorących letnich dni samochody były parkowane w różnych miejscach i przez różny czas były zacienione i ogrzewane bezpośrednio padającymi promieniami słonecznymi. Badacze o różnych porach dnia mierzyli temperaturę wewnątrz kabiny oraz temperatury na powierzchni różnych elementów pojazdów.
      Okazało się, że w samochodzie zaparkowanym w pełnym słońcu, gdy temperatura na zewnątrz wynosi 37,7 stopnia Celsjusza, po godzinie temperatura w kabinie sięga średnio 46,6 stopnia Celsjusza, temperatura deski rozdzielczej to 69,4 stopnia, temperatura kierownicy to 52,7 stopnia, a temperatura foteli wyniosła 50,5 stopnia. Jeśli samochód zaparkowany był w cieniu, temperatura kabiny była podobna do temperatury otoczenia, deska rozdzielcza rozgrzewała się do 47,7 stopnia, kierownica do 41,6 stopnia,a temperatura siedzeń po godzinie wynosiła 40,5 stopnia Celsjusza. Jak można się było spodziewać, mniejsze samochody nagrzewały się szybciej niż większe.
      Każdy z nas zetknął się z sytuacją, gdy wracał do zaparkowanego samochodu i ledwie mógł dotknąć kierownicy. Wyobraźcie sobie jak to jest być dzieckiem uwięzionym na siedzeniu. A gdy w samochodzie znajduje się człowiek, to oddychając zwiększa wilgotność we wnętrzu pojazdu. Im większa wilgotność, tym organizm trudniej się chłodzi, gdyż pot wolniej odparowuje, mówi Selover.
      O tym, na ile wysoka temperatura jest dla nas śmiertelna, decyduje nasz wiek, waga, stan zdrowia, ubranie i inne czynniki. Nauka nie jest w stanie jednoznacznie przewidzieć, kiedy dziecko dozna udaru cieplnego, jednak większość udarów u dzieci ma miejsce, gdy temperatura organizmu przez dłuższy czas przekracza 40 stopni Celsjusza. Na potrzeby badań użyto cyfrowego modelu temperatury ciała 2-letniego chłopca. Badacze symulowali, co się stanie, jeśli dziecko zostanie zamknięte na godzinę w samochodzie zaparkowanym w pełnym słońcu i na dwie godziny w samochodzie zaparkowanym w cieniu.
      Symulacje wykazały, że w każdym przypadku dochodzi do hipertermii i udaru cieplnego, a uszkodzenia organów wewnętrznych mają miejsce w temperaturach poniżej 40 stopni Celsjusza. Część osób, które w rzeczywistości przeżyły udar cieplny doświadczyła stałych uszkodzeń mózgu i organów wewnętrznych.
      Gene Brewer, profesor psychologii, który nie brał udziału w powyższych badaniach, mówi, że zapomnienie dziecka w samochodzie może przydarzyć się każdemu. Brewer, który specjalizuje się w procesach pamięciowych, był ekspertem w sprawie przeciwko rodzicom, których dziecko zmarło pozostawione w samochodzie. Często w takich przypadkach mamy do czynienia z roztargnieniem rodziców. Kłopoty z pamięcią to poważna sprawa i mogą dotknąć każdego, niezależnie od wieku, płci, pochodzenia, osobowości, klasy społecznej czy innych cech. Z funkcjonalnego punktu widzenia nie ma dużej różnicy pomiędzy zapomnieniem kluczy, a zapomnieniem dziecka w samochodzie, mówi uczony.
      Większość ludzi oddaje się codziennie tym samym rutynowym czynnościom. Tą samą drogą jeżdżą do pracy, wiozą dziecko do tego maego przedszkola, pozostawiają kluczyki od samochodu w tym samym miejscu. Czynności te nie wymagają myślenia. Jeśli rutyna ta zostanie przerwana przez jakieś wydarzenie, na przykład telefon od szefa czy zmianę dni odwożenia dziecka do przedszkola, może dojść do zaburzeń pamięci. Takie zaburzenia nie mają nic wspólnego z dzieckiem. Zdarzają się one, gdyż czyjś mózg musiał pomyśleć o czymś innym i została przerwana rutyna. Zaczynamy nagle myśleć o czymś nowym, a to prowadzi do zapomnienia. Nikt nie ma pamięci doskonałej, wyjaśnia Bewer.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafen ma wiele niezwykłych właściwości, jednak nie jest materiałem piezoelektrycznym.  Piezoelektryczność to właściwość niektórych materiałów, polegająca na tym, że przy zginaniu, ściskaniu i skręcaniu materiały te produkują ładunki elektryczne. Występuje też zależność odwrotna - pole elektryczne wywołuje odkształcenie materiału piezoelektrycznego, dając nad nim duża kontrolę.
      W ACS Nano ukazał się artykuł, w którym dwóch inżynierów ze Stanford University opisuje, w jaki sposób nadali grafenowi właściwości piezoelektryczne.
      Fizyczne deformacje, jakie możemy tworzyć, są wprost proporcjonalne do przyłożonego pola elektrycznego, co daje nam niedostępną wcześniej możliwość kontrolowania elektroniki w nanoskali - stwierdził Evan Reed, szef Materials Computation and Theory Group i główny autor badań. To pozwala mieć nadzieję, na zrealizowanie koncepcji ‚straintroniki’, zwanej tak ze względu na sposób, w jaki pole elektryczne w sposób przewidywalny zmienia kształt sieci krystalicznej węgla - dodał uczony.
      Mitchell Ong, autor artykułu w ACS Nano, uważa, że „piezoelektryczny grafen może może zapewnić niedostępny dotychczas stopień elektrycznej, mechanicznej i optycznej kontorli nad różnymi urządzeniami, od ekranów dotykowych po nanotranzystory“.
      Za pomocą symulacji przeprowadzanych na superkomputerach, inżynierowie sprawdzali skutki domieszkowania grafenu po jednej lub obu stronach sieci krystalicznej. Modelowano domieszkowanie litem, wodorem, potasem i fluorem oraz ich kombinacjami. Wyniki zaskoczyły naukowców. Sądziliśmy, że pojawi się efekt piezoelektryczny, ale będzie on słaby. Tymczasem jest on podobny do występującego w tradycyjnych materiałach - mówi Reed.
×
×
  • Create New...