Сегодня выработка электроэнергии сопровождается выбросом огромного количества тепла в окружающее пространство. Заманчиво обернуть эти потери себе на пользу, но современные технологии предлагают решения с очень низкой эффективностью — всего лишь единицы процентов. В США учёные создали метаматериал, который сулит значительное повышение эффективности такого преобразования.

Наностолбцы на кремнии под электронным микроскопом. Источник изображения: Advanced Materials

Термоэлектрический эффект — появление разности потенциалов на концах двух последовательно соединённых разнородных проводников при условии наличия разницы в температуре между обоими — двести лет назад открыл физик Томас Зеебек (Thomas Seebeck). Эффект назван его именем. Для эффективного преобразования тепла в электричество требуется, чтобы материал хорошо проводил электроны и плохо проводил тепло. Тогда на его концах будет большая разница температур и, как результат, высокий КПД. К сожалению, в природе такие материалы не встречаются. Если материал хорошо проводит ток, то он ровно так же хорошо будет проводить тепло, и наоборот.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали метаматериал, который хорошо проводит электроны и плохо проводит тепло. Следует сказать, что тепло в телах с твёрдой кристаллической решёткой передают квазичастицы фононы. И пусть они не настоящие частицы, но они точно так же подчинены корпускулярно-волновой теории — одновременно являются и частицами, и волной. Новый метаматериал использует волновые свойства фононов, чтобы повлиять на скорость их распространения в материале.

Структурно новый метаматериал представляет собой лист кремния, на котором выращивают нанокристаллы из нитрида галлия. Затем кремниевую подложку истончают до требуемой толщины. Получается следующее. Когда тепло передаётся от одного края листа до другого, оно передаётся также посредством наностолбцов. В столбиках возникают стоячие волны с периодом, значение которого диктует их форма — узкий столбец. Эти волны намного-намного короче волны фононов, которая свободно распространяется в кремнии. Оказалось, что стоячие волны в наностолбцах резонируют с волнами фононов в кремнии, заставляя фононы в кремнии подстраивать свою длину волны под «запертую».

Источник изображения: NIST

В результате эксперимента, о котором рассказано в журнале Advanced Materials, учёные смогли уменьшить теплопроводность кремния на 21 % без ухудшения его электропроводности. Физики надеются, что вскоре смогут представить решение с высокой скоростью преобразования тепла в электричество, что откроет путь к новым термоэлектрическим приборам или позволит создать более эффективные радиаторы для электроники.

Учёные из Института им. Макса Планка (MPI-P) исследовали микроструктуру твердотельных литиевых аккумуляторов, вдохновившись наблюдением за ростом сталактитов и сталагмитов в пещерах. Первые растут сверху, а вторые — снизу. Похожим образом в твердотельных батареях растут дендриты из металлического лития. Но прежде никто не изучал вопросы, на каком электроде начинается рост дендритов и что его к этому подталкивает и, главное, как этого избежать.

Поиски корней дендритов в электродах батарей. Источник изображения: Xue Zhang / MPI-P

Команда исследователей MPI-P из департамента Ганса-Юргена Бутта (Hans-Jürgen Butt) в деталях изучила атомное строение твердотельных электролитов и электродов от физического строения до карты распределения электронов в кристаллической решётке. В качестве основного инструмента использовался метод зондовой силовой микроскопии Кельвина (KPFM). Подход позволяет создать карту распределения зёрен кристаллов в поликристаллических материалах и отобразить межзёренные границы. Также KPFM даёт возможность измерить потенциалы на поверхности материала (оценить величину заряда).

Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода (на катоде) в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. При прохождении через такие скопления ионов лития (что происходит в момент зарядки и разрядки аккумуляторов) они захватывают электроны и восстанавливаются до металлического лития. На аноде такие процессы практически не наблюдались.

Тем самым стало абсолютно понятно, что «во всём виноват катод» и исследователям необходимо более пристально изучить его для подавления процессов роста игл дендритов, которые в процессе работы аккумулятора буквально протыкают его насквозь до возникновения короткого замыкания. Своими выводами учёные поделились в статье в журнале Nature Communications, которая свободна доступна по этой ссылке.

Следствием проделанной работы может стать появление намного более безопасных и долговечных батарей с твёрдым электролитом, которые будут невоспламеняемые и более энергоёмкие, чем привычные литиевые аккумуляторы с жидким электролитом.

Совместная работа учёных МФТИ, МИСИС и ИТМО позволила в деталях объяснить появление уникальных оптических свойств у кристаллов перовскита. Это один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники будущего, понимание основ работы с которым даёт базу для создания компонентов и решений с заданными свойствами. Работа исследователей опубликована в журнале Nano Letters и доступна по ссылке.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Ранее научные коллективы во всём мире сталкивались с тем, что оптические свойства перовскитов проявляли себя не всегда или с разным значением. Речь идёт о зависимости оптических свойств кристаллов перовскитов от выбранного направления, что называется анизотропией. Это необходимо учитывать для создания волноводов, поляризаторов, нанолазеров и других оптических приборов. В одних случаях на выращенных кристаллах анизотропия проявлялась, а в других отсутствовала. Российские учёные выяснили, в чём кроется проблема.

«Форма кристаллов перовскитов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными, то они не будут проявлять анизотропных свойств, а если они стали прямоугольными, то перовскит будут анизотропным. Это удобно — просто взглянул на форму перовскита и понял, какие у него будут оптические свойства», — пояснил научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Иначе говоря, российские исследователи на примере перовскита из свинца, цезия и бора (CsPbBr₃) нашли и описали взаимосвязь зависимости анизотропии выращенных кристаллов от условий выращивания и конечной формы кристаллов. Это позволит не бродить в темноте, наугад создавая тот или иной образец перовскитов для экспериментов, а целенаправленно выращивать кристаллы с заданными оптическими свойствами, что, кстати, является одним из основных критериев для массового производства.

Кроме того, учёные обнаружили, что при определённых условиях перовскиты обладают рекордно высоким уровнем оптической анизотропии для всех известных трёхмерных материалов. Это позволяет использовать перовскиты для создания высокоэффективных волноводов и других устройств, позволяющих управлять движением света, что крайне важно для создания оптических аналогов электроники.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В Лаборатории солнечной энергетики НИТУ МИСИС реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr₃ и устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегам из ИТМО и МФТИ за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — отметил ведущий инженер Лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Артур Иштеев.

Учёные Стэнфордского университета доложили о создании нового материала, который поможет создать оперативную память с более высокой скоростью работы и энергоэффективностью. Соединение имеет формулу MnPd₃ (марганец-палладий-3). Оно позволит создавать быстрые модули памяти, поддерживающие обучение систем искусственного интеллекта локально, а не на удалённых серверах.

Источник изображения: Gerd Altmann / pixabay.com

Авторы проекта считают, что человечество переходит от эпохи интернета к эпохе ИИ, и актуальной задачей становится запуск ИИ-алгоритмов на периферии — на домашнем компьютере, смартфоне или даже смарт-часах. Это позволит, например, обнаруживать признаки проблем со здоровьем или распознавать естественную речь, но такие приложения требуют более эффективного оборудования, чем существующее, в том числе более быстрой оперативной памяти.

В данном случае речь идёт о памяти типа SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) — магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью спин-орбитального вращательного момента. В её основе лежит внутреннее свойство электронов — его спин. Спин можно описать как нечто напоминающее баскетбольный мяч, вращающийся на кончике пальца спортсмена. Но поскольку электрон является заряженной частицей, он при вращении превращается в крошечный магнит, с поляризацией вдоль оси вращения — возвращаясь к аналогии с баскетбольным мячом, это линия, продолжающая линию пальца у спортсмена. Направляя эти линии вверх или вниз, можно добиться представления нулей или единиц, формируя в массиве байты компьютерных данных. При этом такая память в отличие от применяемой сейчас повсеместно оперативной памяти является энергонезависимой.

Источник изображения: news.stanford.edu

В модулях памяти SOT-MRAM через слой материала спин-орбитального момента (SOT) проходит спин-поляризованный ток, из-за которого производится переключение спинов частиц в соседнем магнитном материале. В идеале правильно подобранные вещества обеспечивают запись данных простым переключением тока в слое SOT. Однако найти подходящий материал для такого слоя непросто, и здесь снова требуется аналогия. Если взять за систему отсчёта лежащий на тарелке ломтик хлеба, а по его краям отложить оси X и Y, то при прохождении тока по оси X у большинства материалов спиновая поляризация производится по оси Y, тогда как максимальной плотности данных можно добиться при поляризации по оси Z — оси, продолжающей линию перпендикулярно воткнутой в ломтик хлеба зубочистки. Обойти это ограничение в общем случае получается при помощи внешнего магнитного поля, которое требует дополнительного пространства и дополнительных расходов энергии.

Нужными свойствами обладает полученное американскими учёными соединение MnPd₃ — его внутренняя структура лишена кристаллической симметрии, которая заставила бы все электроны выстраивать спины вдоль одной линии. При помощи этого материала исследователи продемонстрировали переключение поляризации как в направлении Y, так и в направлении Z без необходимости во внешнем магнитном поле — её можно выстраивать даже в направлении X, уточнили учёные, хотя этот нюанс в основную работу и не вошёл.

Помимо асимметричной кристаллической структуры, MnPd₃ обладает рядом иных свойств, которые помогут быстро внедрить его в массовое производство модулей SOT-MRAM. В частности, он выдерживает производимый при выпуске электроники отжиг (400 °C на 30 минут), а его слой создаётся при помощи магнетронного напыления — этот процесс уже используется при производстве других компонентов для хранения данных. Иными словами, для его внедрения в производство не потребуется новых инструментов или новых методов — материал обладает новыми свойствами, но идеально вписывается в современные технологии производства. Учёные уже работают над прототипам модулей SOT-MRAM на базе марганца-палладия-3, которые можно будет интегрировать в реальные устройства.

К моменту строительства космических баз на Луне, Марсе и где-то ещё у нас должны быть развиты соответствующие технологии. Их основой станет производство строительных материалов на месте. Ракетами с Земли кирпичей не навозишь. Поэтому ряд земных лабораторий и компаний заняты изобретением технологий и составов стройматериалов из местного сырья с добавлением привозного. Многообещающей добавкой оказался картофельный крахмал.

Образцы кирпичей с добавлением крахмала. Источник изображения: Open Engineering/CC BY 4.0

В недалёком прошлом на роль скрепляющих материалов для производства «космического» бетона пробовали мицелий грибов, а также пот, мочу и кровь колонистов. Исследователи из Манчестерского университета предложили использовать картофельные чипсы с большим содержанием крахмала и остаточными следами влаги. Из мешка чипсов весом 25 кг можно произвести почти полтонны фирменного состава StarCrete, которого хватит на изготовление 213 «космических» кирпичей.

Кирпич из смеси крахмала и имитатора лунной пыли выдерживал давление 91 МПа. Кирпичи из смеси крови и пыли оказались менее прочными — выдерживали сжатие до 40 МПа. Обычный бетон, для сравнения, выдерживает давление 32 МПа (надо понимать, это усреднённая величина). Дополнительную прочность кирпичам с добавлением крахмала придало добавление соли в раствор. Это может быть минеральная соль с поверхности планеты и даже соль из слёз космонавтов.

Источник изображения: Open Engineering

Интересно, что на Земле тоже найдётся ниша для использования кирпичей из картофеля. Считается, что производство бетона и цемента ведёт к выбросу примерно 8 % парниковых газов. Выращивание картофеля и превращение его в строительный материал уменьшит выбросы и увеличит поглощение CO₂ из воздуха пока картофель будет расти на грядках. Для продвижения идеи была создана компания DeakinBio. Если технология найдёт применение на Земле, считают разработчики, её будет легче распространить на использование в космосе.