Край Будущего

Поддержание энергетической независимости США требует снижения зависимости от зарубежных поставок химикатов и топлива. Одним из способов диверсификации внутренних ресурсов является использование электролизеров на основе диоксида углерода для производства ценных прекурсоров, таких как этилен. Однако такие устройства до сих пор ограничивались низкой эффективностью, делая их энергоёмкими и дорогими.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Chem Catalysis, учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработали новые полимерные чернила — иономеры, — которые контролируют движение газа и воды в электрохимических устройствах. Тщательная балансировка химического состава иономера повышает энергоэффективность процесса преобразования.

"Добавление правильного иономера снизило общее напряжение, необходимое для работы устройства", — сказал учёный LLNL Адитья Праджапати. "Это означает, что устройству требуется меньше электроэнергии для производства того же количества продукта".

Иономер — небольшая, но важная часть устройства. "Наше устройство состоит из нескольких тонких слоёв, где CO₂ поступает с одной стороны, и электричество запускает реакцию, превращая газ в этилен с помощью медного катализатора", — отметил научный сотрудник LLNL Николас Кросс.

Иономер наносится напылением на слой меди и регулирует состав поверхности катализатора, обеспечивая оптимальное поступление воды и CO₂. "Без него слишком много воды может затопить устройство, а слишком мало — замедлить реакцию", — пояснил учёный LLNL Максвелл Голдман. Это поддерживает баланс, снижая энергозатраты на производство этилена.

Команда прикрепила химические вещества к прочной полимерной основе и протестировала различные иономеры с разным водопоглощением. "Мы обнаружили, что влагосодержание иономера — мощный фактор, контролирующий производство этилена", — сказал учёный LLNL Крис Хан. "Слишком мало иономера приводит к перегреву, слишком много — к потере энергии. Правильный баланс обеспечил высокую производительность при низком напряжении".

Исследователи отметили, что улучшения стали возможны благодаря сочетанию химии полимеров, экспериментов и мультифизического моделирования. Они надеются, что работа послужит основой для разработки следующего поколения полимеров в электрохимических устройствах.

Публикация взята с сайта: https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(25)0...

Традиционные методы, такие как литография, химическое осаждение из газовой фазы и отжимное покрытие, сложны, малопригодны для больших площадей и ограничивают коммерциализацию.

В связи с этим группа Юнхи Ли разработала технологию капельной струйной печати на основе поверхностного натяжения. Метод "капля за каплей" наносит пиколитровые капли чернил с нанотрубками на электроды, где чернила распределяются равномерно благодаря поверхностному натяжению. Это позволило изготовить устройства без дополнительных процессов, с высокой стабильностью и воспроизводимостью: 72% устройств удалось создать в нужной форме.

Кроме того, группа успешно захватила серотонин — нейромедиатор головного мозга — с помощью присоединённых фрагментов ДНК (аптамеров), специфично связывающихся с молекулами. Аптамеры показали высокую чувствительность, обнаруживая концентрации менее 42 пикомолей (что меньше одной пряди волос).

Результаты указывают на потенциал технологии для ранней диагностики и мониторинга неврологических заболеваний в реальном времени, таких как депрессия и болезнь Паркинсона.

"Это исследование значимо, поскольку позволяет создавать высокопроизводительные датчики простым методом струйной печати", — отметил Юнхи Ли. "В будущем мы превратим эту технологию в платформу для индивидуальных биосенсоров, выявляющих биомаркеры различных заболеваний".

В исследовании участвовали: первый автор Ынха Ли (старший научный сотрудник, департамент биомедицинских технологий), соавтор Хонки Кан (профессор, департамент биомедицинской инженерии медицинского колледжа Сеульского национального университета), первый автор Сухен Парк (исследователь, департамент биомедицинских технологий), а также Минье Шин (первый автор) и Евнуй Ким (соавтор) из департамента электротехники и компьютерных наук DGIST.

WD 1856+534 — белый карлик в созвездии Дракона, расположенный примерно в 80 световых годах от Земли. Он является внешним компонентом тройной звездной системы, где внутренняя пара состоит из двух красных карликов G 229-20. Белый карлик имеет эффективную температуру около 4430 °C и возраст примерно 5,8 миллиарда лет. Его масса примерно вдвое больше солнечной, а радиус чуть больше 1,4 радиуса Земли.

Вокруг WD 1856+534 обращается одна экзопланета — WD 1856+534 b, открытая транзитным методом с помощью спутника TESS в 2019 году. Это планета-гигант с радиусом более чем в десять раз превышающим земной, вращающаяся очень близко к белому карлику — на расстоянии около 0,02 астрономической единицы с периодом около 1,4 суток (примерно в 60 раз короче периода Меркурия).

Близость планеты к белому карлику указывает на то, что она мигрировала внутрь после того, как звезда прошла фазу красного гиганта, иначе была бы поглощена. Такая миграция, вероятно, связана с гравитационными взаимодействиями в тройной системе — с двойной парой красных карликов G 229-20 — через механизм Лидова-Козаи, аналогичный процессам, наблюдаемым у горячих Юпитеров. Альтернативная гипотеза предполагает, что планета пережила фазу огибания, а другие планеты могли способствовать разрушению оболочки звезды. Наблюдения JWST поддерживают сценарий миграции с высоким эксцентриситетом.

Спектр пропускания планеты, полученный с помощью инструмента OSIRIS на GTC и GMOS на Gemini, оказался серым и невыразительным, вероятно из-за высокого уровня помутнения. На спектре отмечается возможный провал около 0,55 мкм, который может быть связан с полярным сиянием на ночной стороне планеты. Минимальная масса WD 1856+534 b оценивается в 0,84 массы Юпитера. Пересмотр параметров белого карлика указывает на общий возраст системы в 8–10 миллиардов лет, что соответствует принадлежности к тонкому диску Галактики.

Наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба, опубликованные в 2025 году, подтвердили планетарную природу объекта через обнаружение инфракрасного излучения, связанного с теплом планеты. Масса планеты оценена примерно в 0,17 массы Юпитера (около 6 масс Земли), а температура — около 186 К, что делает WD 1856+534 b самой холодной экзопланетой, обнаруженной напрямую на сегодняшний день.

Поиск дополнительных планет методом изменения времени прохождения транзитов не выявил объектов с массой более 2 масс Юпитера и периодами до 500 дней, а также планет с массой свыше 10 масс Юпитера и периодами до 1000 дней.

Через год после встречи исследователей NREL Мэтью Хаутцингера и Сейджа Бауэрса, посвящённой малоизученным наноматериалам, они успешно синтезировали квантовые точки из фазы Zintl на основе BaCd2P2. Эти нанокристаллы привлекают внимание яркой фотолюминесценцией, химической стабильностью и использованием доступных природных элементов.

"Мы переоценили материалы, разработанные 40-50 лет назад, чтобы найти новые неорганические кандидаты для современной оптоэлектроники", — отметил Хаутцингер. В частности, BaCd2P2 заинтересовал их оптимальной шириной запрещённой зоны, долгим временем жизни носителей и высокой устойчивостью к дефектам.

Поскольку традиционные методы получения материалов фазы Zintl непрактичны, команда провела первый синтез коллоидных квантовых точек BaCd2P2 и изучила их свойства, опубликованные в ACS Nano. Квантовые точки — нанокристаллы размером в несколько нанометров — обладают настраиваемыми оптическими и электронными характеристиками благодаря эффектам квантового удержания. Это открывает возможности для улучшения светодиодов, дисплеев, оптических волокон, солнечных панелей и биовизуализации.

Бауэрс подчеркнул, что уже при первом синтезе квантовые точки BaCd2P2 демонстрировали яркую фотолюминесценцию без специальной химической обработки, что говорит о большом потенциале материала.

Ключевым фактором стала высокая устойчивость BaCd2P2 к дефектам, предсказанная теоретически и подтверждённая экспериментально. В отличие от классических полупроводников, где требуется пассивация поверхности, этот материал легче превращается в квантовые точки без снижения качества.

Синтез осуществлялся путём быстрого введения фосфорного предшественника в нагретую смесь бария и кадмия с лигандами. Регулировка температуры позволяла контролировать размер наночастиц и их оптические свойства.

Для подтверждения структуры и состава использовались методы электронной и рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии и рентгеновской флуоресценции.

Полученные квантовые точки излучали яркий свет с квантовым выходом фотолюминесценции около 21% — показатель, достигаемый без сложной обработки и важный для промышленного применения.

Далее команда создала тонкие пленки из раствора BaCd2P2, характерные для оптоэлектронных устройств. Исследования показали гладкую поверхность без дефектов, что открывает путь к интеграции материала в реальные технологии.

"Мы упростили процесс синтеза, не потеряв контроля над свойствами материала", — отметил Бауэрс. Пленки из квантовых точек BaCd2P2 могут стать более доступной и эффективной альтернативой существующим технологиям.

Кроме того, BaCd2P2 состоит из широко распространённых элементов, что снижает риски перебоев в цепочках поставок. Команда также экспериментировала с частичной заменой кадмия на цинк для снижения токсичности, сохраняя фотолюминесцентные свойства.

"Это новое направление, и мы продолжим исследовать, как изменение состава влияет на свойства и открывает новые возможности", — добавил Бауэрс.

Таким образом, исследование квантовых точек на основе фаз Zintl, таких как BaCd2P2, открывает перспективы для развития оптоэлектроники с использованием стабильных, доступных и настраиваемых материалов.

"Хиральность легко контролируется в органике, но сложно в металлах на наноуровне. Добавление хиральных молекул — прорыв в химии материалов", — сказал профессор Нам.

Для проверки хиральности использовали метод на основе ЭДС в вращающихся магнитных полях. Левая и правая спирали генерировали противоположные сигналы, подтверждая хиральность даже в материалах, слабо взаимодействующих со светом.

Магнитный материал обеспечивает перенос спина на большие расстояния при комнатной температуре благодаря высокой энергии обмена. Это асимметричный эффект, независимый от угла инжекции спина, не наблюдаемый в немагнитных спиралях.

Команда продемонстрировала устройство с проводимостью, зависящей от хиральности, открывая путь к приложениям в спинтронике. Профессор Ким отметил: "Эта система может стать платформой для хиральной спинтроники и магнитных наноструктур".

Метод позволяет регулировать направление спина (влево/вправо) и количество нитей (двойные, множественные спирали) электрохимически, что внесет вклад в новые области применения.

Kepler наблюдает за областью неба, выявляя транзиты — периодические затемнения звезд из-за прохождения планет перед ними. Анализ данных показал транзитный сигнал вокруг звезды KIC 11804465 (Kepler-12), обозначенный как KOI-20.

Для подтверждения использовались телескопы Keck I и WIYN, чтобы исключить ложные сигналы от двойных звезд или фоновых объектов. Изображения с адаптивной оптикой от обсерватории Palomar подтвердили выводы. Спектрограф HIRES измерил радиальную скорость звезды, подтвердив планетарную природу. Данные за 1,5 года работы Kepler позволили определить радиус, массу и плотность планеты.

Космический телескоп Spitzer наблюдал затмения планеты, указав на отсутствие температурной инверсии (дневная сторона не холоднее ночной).

Kepler-12 — звезда раннего G-типа или позднего F-типа, солнцеподобная, приближающаяся к концу главной последовательности. Расположена в 900 парсеках от Земли, видимая величина 13,438. Она немного массивнее, горячее и богаче железом, чем Солнце, с радиусом в 1,483 раза больше солнечного.

Kepler-12b — один из наименее облученных горячих Юпитеров с аномально большим радиусом. Его сравнивают с HD 209458 b и TrES-4b по сходству параметров. Масса — 0,431 массы Юпитера, радиус — 1,695. Орбита: 0,0556 а.е., период — 4,44 суток, наклонение — 88,86°. Плотность — 0,111 г/см³, равновесная температура — 1481 К. Орбита почти круговая (эксцентриситет <0,01).

Планета находится в приливном взаимодействии со звездой. В 2015 году температура ночной стороны оценивалась в 1711±223 К, с сильными ветрами, смещающими самое яркое пятно к западу от субзвездной точки.

Китайская компания Dongfang Electric вышла в мировые лидеры, установив морскую ветротурбину мощностью 26 МВт. Ранее первенство принадлежало Siemens Gamesa с ее 21,5-мегаваттным гигантом у берегов Дании, но рекорд европейцев быстро уступил место.

Новая турбина впечатляет размерами: высота стойки — 185 метров, диаметр ротора — 310 метров, а размах лопастей охватывает площадь 77 тысяч квадратных метров, что эквивалентно примерно десяти стандартным футбольным полям. Механизм состоит из более чем 30 тысяч деталей, способных выдерживать ветер до 200 километров в час, и защищен современными антикоррозийными покрытиями.

При средней скорости ветра 10 метров в секунду установка сможет генерировать около 100 гигаватт-часов электроэнергии ежегодно, обеспечивая энергией порядка 55 тысяч домохозяйств.

Ввод в строй такой турбины позволит Китаю ежегодно экономить около 30 тысяч тонн угля и сокращать выбросы углекислого газа на 80 тысяч тонн.