Водород, самый простой и наиболее распространенный на Земле элемент, — это ещё и многообещающий источник энергии для начавшей наконец бурно развиваться «зелёной» энергетики.
Он является эффективным энергоносителем (при окислении водорода выделяется запасённая энергия), который делает возможным изготовление топливных ячеек для электромобилей, а также может использоваться в качестве хранилища избыточной энергии, полученной в часы наименьшего потребления. Основная сложность заключается в необходимости поиска одновременного решения для двух плохо совместимых задач: нужно достичь высочайшей плотности хранения водорода при обеспечении эффективной кинетики выхода этого газа (когда в нём возникает потребность).
Учёным из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, кажется, удалось пролить новый свет на кинетику выхода водорода (дегидрогенизирование) из гидрида алюминия AlH3 — многообещающего материала, используемого в качестве водородного хранилища. Кроме того, проведённая компьютерная симуляция дала довольно полное представление об основных механизмах, управляющих подобными реакциями.
Рис. 1. Кластеризация водородных вакансий в гидриде алюминия: тёмно-синим помечены атомы Al в обычной решётке гидрида, а светло-синим — Al в кластере, обогащённом алюминием. (Иллюстрация Van de Walle Group / UCSB).
Популярность гидрида алюминия в качестве хранилища запасённой «водородной» энергии основывается на двух его свойствах — большой скорости выхода водорода (при достижении определённых условий) и высоком кинетическом барьере, который предотвращает возможность слишком уж быстрого релиза.
Ларс Измер (Lars Ismer) и Андерсон Джанотти (Anderson Janotti), вооружившись методами компьютерного моделирования, теоретически исследовали микроскопические механизмы, которые управляют высвобождением водорода из гидрида алюминия. Целью расчётов было изучение того, каким образом индивидуальные атомы водорода диффундируют сквозь гидрид алюминия — процесс, который осуществляется за счёт создания водородных вакансий. Отчёт о работе они представили в Journal of Physical Chemistry C.
Водородные вакансии — точечные дефекты, играющие очень важную роль, поскольку именно они делают диффузию возможной. Если бы каждый атом находился на своём месте, то всякое движение было бы исключено. И наоборот, если в одном из узлов кристаллической решётки атома нет, соседний атом может «перепрыгнуть» на вакантное место, обеспечивая перемещение водорода сквозь материал. Определив ключевые параметры, необходимые для проведения наиболее точных расчётов, исследователи применили их для симуляции по кинетическому методу Монте-Карло процесса выхода водорода, который оставляет за собой кластеры алюминиевых атомов. Компьютерная модель получилась настолько реалистичной, что исследователи могли буквально отслеживать процессы нуклеации и роста алюминиевой фазы, а также скорость, с которой водород покидал своё прежнее место хранения.
Точность построенной модели позволила калифорнийским учёным идентифицировать лимитирующий скорость механизм, которым оказался сам процесс диффузии.
Поначалу казалось, что этот результат противоречит выводам, которые можно было сделать, используя традиционную интерпретацию наблюдаемого S-образного изгиба на экспериментальной кривой процесса дегидрогенизирования, исключающую диффузию из набора ограничивающих общую скорость процесса факторов. Однако, как показали сами исследователи,
симуляция давала кривую реакции, находившуюся в полном согласии с экспериментальными данными, и это лучшее доказательство того, что именно диффузия водорода посредством точечных дефектов и есть механизм, лимитирующий скорость.
Источник(и):
1.Калифорнийский университет в Санта-Барбаре
2. compulenta.ru
Нейронные стволовые клетки помогли в лечении паралича
Опубликовано ssu-filippov в 13 сентября, 2012 - 00:29
Исследователи из StemCells уверяют, что нейронные стволовые клетки способствуют возвращению чувствительности тканей.
Травмы спинного мозга в абсолютном большинстве случаев сопровождаются параличом или параплегией. Если лечение этих недугов возможно, то оно включает в себя огромное количество медицинских подходов и тяжёлый моральный и физический труд пациента.
Международная группа исследователей американского центра StemCells впервые предложила использовать нейронные стволовые клетки (neural stem cells) для восстановления пациентов после травм спинного мозга.
В разработке нового метода медики опирались на ранее полученные положительные результаты на мышах. Тогда исследователи успешно использовали человеческие стволовые клетки для лечения заболеваний центральной нервной системы грызунов после травм спинного мозга.
В настоящем исследовании трое пациентов получали инъекции в виде 20 миллионов нейронных стволовых клеток. «Лекарство» направляли непосредственно в повреждённую область спинного мозга ежедневно на протяжении нескольких месяцев. Клетки, полученные из эмбриональных тканей головного мозга, начинали вводить в период от четырёх до восьми месяцев после травмы. Также пациенты получали иммуностимулирующие препараты, для того чтобы снизить вероятность отторжения клеток.
До начала лечения все пациенты полностью потеряли чувствительность во всех частях тела ниже сосков. После шести месяцев терапии двое их трёх участников исследования смогли ощутить прикосновение и тепло в области между грудью и пупком. Третий пациент ничего подобного не продемонстрировал.
«То, что мы увидели реакцию у пациентов так далеко от места травмы, чрезвычайно удивительно, — говорит специалист компании StemCells Стефан Хахн (Stephen Huhn). – Чувствительность тела для этих двух людей именно в этой области действительно оказалась близка к нормальной».
«Мы были крайне заинтригованы, увидев что пациенты интенсивно накапливали сенсорную функцию на протяжении лечения», — рассказывает ведущий исследователь проекта Армин Курт (Armin Curt) из университетской клиники Балгрист в Цюрихе.
«Уже через 3 месяца после начала ежедневной трансплантации мы обнаружили первые признаки сенсорной активности, которая продолжала накапливаться и развиваться к шести месяцам, — сообщает Хан. – Мы получили отличный стимул для продолжения клинических испытаний и надежду на эффективность нейронных стволовых клеток в комплексной терапии посттравматического паралича».
У исследователей есть несколько объяснений тому, каким образом нейронные стволовые клетки влияют на чувствительность тканей человеческого тела.
Во-первых, они способствуют восстановлению миелина, природного изоляционного материала, который покрывает нервные волокна. А целостность миелиновой оболочки гарантирует передачу сигналов от головного мозга.
С другой стороны, стволовые клетки улучшают работу имеющихся нервов, фактически выполняя их функции или подавляя воспалительные процессы, препятствующие восстановлению повреждённой ткани.
Участвовавшие в эксперименте люди стали первыми из 12 участников исследования по лечению паралича с использованием стволовых клеток. Разработчики нового метода отмечают, что остальные пациенты имеют менее обширный паралич.
Медики также планируют следить за первыми пациентами на протяжении многих лет, чтобы убедиться в долгосрочной эффективности своего метода.
Отметим, что, несмотря на впечатляющий результат, научное сообщество настороженно относится к подобным исследованиям. Многие группы делали громкие заявления о чудесной эффективности стволовых клеток при лечении различных заболеваний, например, сахарного диабета. Но учёные не раз терпели поражение в борьбе с пока неизлечимыми болезнями, сворачивались масштабные программы исследований. Поэтому положительная оценка специалистов в данном случае весьма обнадёживает.
Источник(и):
1. vesti.ru
Созданы молекулярные сенсоры на основе нанодырок для медицинской диагностики
Опубликовано ssu-filippov в 14 сентября, 2012 - 00:32
Учёные из Сингапурского института материаловедения и инжиниринга смогли показать, что тонкие металлические плёнки с наноразмерными отверстиями являются особенно многообещающими рабочими компонентами для молекулярных сенсоров.
Возможность выявления очень малого числа молекул нужна почти везде: и, к примеру, в биомедицинской диагностике, и там, где наши жизни сохраняют газовые датчики. Правда, в большинстве случаев нужно, чтобы сенсор был по возможности дешёвым и одноразовым, но одновременно достаточно чувствительным, чтобы детектировать молекулы на уровнях, близких к мономолекулярному.
Учёные из Института материаловедения и инжиниринга (Сингапур) применили неординарный подход к решению этого вопроса, используя не столько химию, сколько физику материалов. Им удалось показать, что тонкие металлические плёнки с наноразмерными отверстиями являются особенно многообещающими рабочими компонентами для молекулярных сенсоров.
Отчёт о своей работе они представили в IEEE Photonics Journal.
Рис. 1. Коллективное возбуждение электронов на границе металл — диэлектрик, приводящее к многократному усилению электромагнитного поля (иллюстрация Nature).
Тонкие металлические плёнки с проделанными в них нанометровыми сквозными отверстиями известны такой любопытной особенностью: ***они пропускают свет определённых длин волн с очень высокой эффективностью, что объясняется возникновением поверхностных плазмонов поляритонов (ППП)**, являющихся, по сути, коллективным движением электронов на поверхности металла и способных фокусировать свет в точки, куда меньшие, чем длина волны падающего света.
ППП вполне применимы к детектированию молекул с помощью флюоресценции прикреплённых к ним индикаторных молекул. Кроме того,
флюоресценция будет значительно усиливаться ППП, а потому может быть легко выявлена под микроскопом даже при очень небольшом количестве молекул.
Таким образом, можно говорить о том, что металлическая плёнка зондирует дырками…
Источник(и):
1. A*STAR Research
2. compulenta.ru
Солнечные батареи можно получить и из кремния низкой чистоты
Опубликовано ssu-filippov в 14 сентября, 2012 - 01:13
Исследователи получили гибкие солнечные батареи, выгравировав улавливающие свет наноструктуры на тонких полосках кремния невысокого качества.
Руководитель исследования, Акрам Букай (Akram Boukai), специалист по химии материалов из Университета Мичигана считает, что поскольку для новых устройств преобразования солнечной энергии в электрическую требуется лишь небольшое количество недорогого кремния не слишком высокого качества, новые устройства могут оказаться гораздо более дешевыми, чем жесткие кристаллические кремниевые солнечные батареи, в настоящее время присутствующие на рынке.
Он полагает, что исследователи смогут разработать дешевые и легкие гибкие солнечные батареи, которые можно будет закреплять на поверхности транспортных средств и даже одежды.
Для получения солнечных батарей производителям приходится проводить дорогостоящую обработку технического кристаллического кремния, чтобы довести его до чистоты 99.99999% и выше. Если пренебречь очисткой, загрязнения в кремнии могут стать ловушками для электронов и дырок, в результате чего появляются препятствия для течения электрического тока, и эффективность солнечной батареи понижается.
Букай с коллегами решил уменьшить стоимость солнечных ячеек, для чего исследователи решили использовать поликристаллический кремний металлургической чистоты (всего 99.999%). Этот материал стоит около 5 долларов США за килограмм, или в пять раз ниже, чем кремний для изготовления традиционных солнечных батарей.
Исследователи решили вопрос с примесями в кремнии низкого качества, уменьшим расстояние для перемещения электронов и дырок, чтобы носители заряда встречали на своем пути меньшее количество примесей. Для этого они нарезали листочки кремния толщиной 17 мкм на тонкие полоски.
Для получении солнечных батарей исследователи наносили сотни параллельно расположенных полосок из кремния на гибкую полимерную подложку. Полоски кремния были покрыты слоем блок-сополимера, который самоорганизуется в полые цилиндры, диаметр каждого такого цилиндра составляет 34 нм. На следующем этапе система была обработана слоем серебра толщиной 30 нм, серебро проникало в каждую трубку.
На следующем этапе полимер был удален с помощью промывки толуолом, в результате этого была получена система наночастиц, направляющими для роста которых были полимерные цилиндры. И, наконец, заключительный этап работы заключался в ионном травлении, позволяющей удалить кремний. Наночастицы серебра защищали находящийся под ними кремний, то есть в результате травления была получена система из крошечных кремниевых столбиков, на верхушке которых располагались наночастицы серебра.
Наночастицы серебра абсорбируют свет и направляют его на лежащие под ними кремниевые наностержни, которые также поглощают свет; новая система абсорбирует 95% падающего на нее света, в то время как неструктурированный кремний ультравысокой чистоты поглощает 60% света, а чем больше света поглощает фотогальванический материал, тем выше его эффективность – он может дать большее количество тока.
Эффективность конверсии световой энергии в электрическую составляет 10%.
Это меньше, чем КПД устройств из кристаллического ультрачистого кремния (которая лежит в пределах 15–17%), но выше, чем 8%-ная эффективность солнечных батарей из аморфного кремния – единственных в настоящее время тонкопленочных солнечных батарей на рынке. Букай заявляет, что планирует найти способы увеличить эффективность новой системы.
Источник(и):
1. chemport.ru
user_kiev_3
Олена
Anna