«Углеродные соты»: украинские ученые открыли новую форму углерода - «Технологии»
Команда украинских ученых разработала новый вид углеродной структуры – так называемые «карбоновые соты» – материал, который способен коренным образом улучшить эффективность топливных элементов
Углерод способен образовывать алмазы, графит, нанотрубки, или наноразмерные сферы (фуллерены), а также ряд других соединений. Теперь же исследователи смогли создать из этого элемента новую структуру, которая, как представляется, имеет огромный потенциал для систем хранения энергии. Усовершенствовав технологию производства, ученым удалось получить «трехмерные соты» из двухмерных углеродных слоёв, больше известных под названием графен.
Новая структура может быть использована в качестве легкого и энергоэффективного контейнера для хранения водорода в топливных элементах используемых в новых «зеленых» автомобилях, а также для создания микроэлектронных компонентов с совершенно новыми характеристиками.
Вопросы низкой эффективности хранения и транспортировки водорода являются основными препятствиями на пути широкого распространения этого альтернативного вида топлива. На сегодняшний день емкости для хранения под высоким давлением (газообразный водород) или с очень низкой температурой (жидкий водород) являются лучшим коммерческим вариантом, но для их работы необходим большой объем энергии.
Поэтому многие исследователи в настоящее время сосредоточены на разработке пористых материалов, которые могут удерживать и, при необходимости, освобождать газообразный водород, потребляя гораздо меньше энергии. В теории, углеродные нанотрубки и другие наноструктуры с их очень большими площадями поверхности, являются хорошими кандидатами, но на практике, доступ к пространству для хранения газа в этих структурах часто блокируется. Некоторые исследователи предложили новую пенообразного углеродную структуру с более высокой емкостью для хранения газа, но готового образца до сих пор никто не продемонстрировал.
Свое решение проблемы предложили харьковские физики Нина Крайнюкова из Физико-технического института низких температур НАН Украины и Евгений Зубарев с Физико-технического факультета ХПИ. Они создали и протестировали новую модификацию углеродного волокна, окрестив его «углеродными сотами». О работе украинских ученых рассказал авторитетный научный журнал Physics в статье «Focus: New Form of Carbon Stores Lots of Gas».
«Здорово, что ученые донесли свои результаты до всего мира. Дальше только время может показать, пойдет ли технология в индустрию", - рассказывает о новой форме углерода заведующий лабораторией Института теоретической физики им. Боголюбова Сергей Шарапов.
Как скоро новая технология пойдет в производство? «На данном этапе говорить о быстром коммерческом применении еще рано, мы сделали только первый шаг, - отмечает Нина Крайнюкова. - Дальнейшая работа над новой водородной формой будет проходить в кооперации с зарубежными учеными. Их техническая база для исследований намного лучше нашей».
Читайте также: Первый в Украине пищевой 3D принтер разработали в Днепропетровске (видео)
Что собой представляют "углеродные соты"?
«Углеродные соты» способны хранить большое количество газа и жидкости в своей трехмерной структуре. Их можно использовать как эффективное и вместительное топливное хранилище, или своеобразный "топливный бак для водорода".
Евгений Зубарев из ХПИ рассказал, что работал над электронным микроскопом, который позволил Крайнюковой изучать структуру соединений углерода с очень высоким, практически атомарным разрешением. Коллега привлекла его к проекту десять лет назад. Долгое время о технологии никто не вспоминал.
"Крайнюкова изначально работала над свойствами абсорбции инертных газов (криптон, аргон) и увидела, что пленки волокна, которые синтезируются, имеют очень высокую емкость. Это было удивительно", - вспоминает Зубарев.
Его оценка совпадает с предположением американского издания: эта технология может стать новым ключевым решением для хранения водорода. Проблема, над которой в мире давно ломают голову. Хранение водородного топлива обходится дорого, более того, в ряде случаев это еще и небезопасно.
Водород вместо бензина
Применение украинской технологии в сфере водородного транспорта может заинтересовать зарубежных инвесторов, считает директор департамента развития дорожного рынка и автоперевозок Мининфраструктуры Роман Хмиль. "Электродвигатели правительство Сингапура недавно признало экологически вредными, плюс они неэкономны. Эквивалент потребления - 10 л на 100 км, что хуже гибридов. А вот водородные двигатели очень перспективны", - отмечает он.
Министерство энергетики США не первый год пытается подстегнуть ученых к разработкам, которые позволят снизить расходы на покупку и эксплуатацию автомобилей на базе водородного двигателя.
Американское министерство даже запустило отдельную программу в рамках инициативы U.S. DRIVE Partnership (сообщество госструктур, отраслевых организаций в сфере энергетики и автомобилестроения). Оно представляет интересы таких гигантов, как Fiat Chrysler Automotive, Ford Motor, General Motors, Tesla Motors. Основная задача - к 2020 году автомобили, использующие водородное топливо, должны стать сравнимы по капитальным и операционным затратам с традиционными транспортными средствами. Намеченный американцами ориентир - 1 Кв/ч работы мотора с использованием гидрогена (водорода) как автомобильного топлива должен стоить $10.
Один из первых в мире серийных автомобилей на топливных элементах в конце 2014 года выпустила Toyota. Им стал водородный седан Mirai ("будущее"). Японское правительство до 2020 года собирается увеличить количество таких автомобилей в 100 раз - до 40 000. Сейчас их количество на дорогах измеряется сотнями. Для их обслуживания в Японии уже запустили около 80 водородных заправок.
Кроме того, уже сегодня в Японии тестируется локальная водородная энергосистема, которая предполагает создание энергетической цепи по выработке, транспортировке и использование водорода машинами (а в будущем жилыми и коммерческими зданиями).
Еще одна компания, которая верит в водород, - корейская Hyndai. Ее Tucson Fuel Cell начал продаваться в Штатах в 2014 году. Активных продаж производитель так и не дождался. В США (преимущественно в Калифорнии) всего около 20 водородных заправок. Однако недавно стало известно, что корейцы уже готовят водородомобиль нового поколения с запасом хода до 800 км, который должен появиться на рынке в 2017 году.
Когда смартфон можно будет согнуть вдвое?
Существует еще одна широкая сфера применения для открытия украинских ученых. Это микроэлектроника. "Если заполнить "соты" разными металлами и неметаллами, спектр электрических и магнитных свойств будет очень широким", - рассказывает Нина Крайнюкова.
На Всемирном мобильном конгрессе-2016 в Барселоне под графеновые технологии отводился отдельный павильон. Производители представили прототипы устройств на основе углеродных соединений. Сейчас графен уже можно добавлять в композитные материалы (в пластик, резину) для усиления прочности изделий электроники или же для увеличения теплопроводности.
Но это только начало. Мечта производителей электроники - получение равномерного устойчивого слоя графена и применение его в коммерческих масштабах. Графен наконец-то позволит изменить внешний вид современных смартфонов, планшетов, носимой электроники. Углеродный аккумулятор будет в сотни раз компактнее и тоньше, экраны станут гибкими и прочными.
Читайте также: Британцы построили уникальный водородомобиль Rasa (видео)
Над технологиями применения графена в электронике вовсю работают команды ученых по всему миру. Украина - не исключение. Недавно стало известно, что американская компания American Graphite Technologies Inc. продлила контракт с командой ученых Харьковского физико-технического института еще минимум на полгода. Вот уже несколько лет они работают над технологией, которая позволит делать 3D-печать деталей с использованием графена. Финансируют проект американцы, результаты исследований не раскрывают. В случае успеха разработчиков все интеллектуальные права на инновацию остаются за американской компанией.
"Сегодня наша задача - с точки зрения науки найти физические решения, которые позволяют создать технологию графеновой (или, шире, наноуглеродной) 3D-печати. Желательно на наноуглеродном материале, уже сегодня производимом и имеющемся в свободной продаже", - рассказывает об основной идее проекта его куратор - научный сотрудник института Дмитрий Виноградов.
Проще говоря, ученые хотят, чтобы углеродный 3D-принтер работал так же просто, как и устройство, использующее в качестве материала пластик. По словам Виноградова, такая печать открывает неограниченные возможности для применения - гаджеты, мобильные телефоны, бытовая электроника.
Что происходит с украинской наукой
Живущие в одном городе прогрессивные ученые Нина Крайнюкова и Дмитрий Виноградов, работающие над углеродными технологиями будущего, не знакомы друг с другом. Другие украинские физики, судя по оживленному обсуждению публикации в сети Facebook, узнали об открытии харьковчан из американского журнала.
Что это значит? В Украине фактически нет научного сообщества, в котором бы присутствовали разные представители государства. Правительство не развивает научный пиар, научные объединения. "Большая проблема нашей науки - она тотально оторвана от реальности и бизнеса, - считает управляющий партнер фонда Chernovetskyi Investment Group Андрей Криворчук. - Создать нечто массовое в подобном вакууме физически невозможно".
Ученый-физик в представлении многих украинцев - невзрачный пенсионер в потертом советском костюме. Никому не интересно содержимое его портфеля или рабочего стола. А там может быть все что угодно, в том числе разработки стратегической важности. Зато иностранцы знают цену украинской науке лучше нас. Как показывает практика, местным исследователям достаточно просто хорошего отношения и ощущения востребованности, чтобы делать проекты для иностранных спонсоров. Причем за очень скромные деньги.
Источник: liga.net
И будьте в курсе первыми!
