Группа физиков из Университета Квинсленда провела компьютерное моделирование, которое теоретически обосновало наличие у чёрных дыр квантовых свойств. Учёные взяли самую легко вычисляемую и неотъемлемую характеристику чёрной дыры — её массу, и показали, что чёрная дыра может быть одновременно тяжёлой как миллионы солнц и лёгкой как атом. Совсем как легендарный кот Шрёдингера, который и жив и мёртв одновременно.

Источник изображения: NightCafe Creator AI

Гипотезу о дискретных значениях масс чёрных дыр (точнее, допустимых диапазонов масс подобно наличию энергетических уровней электронных орбит), в своё время выдвинул американо-израильский физик-теоретик Яаков Давид Бекенштейн. Новое исследование во многом подтвердило его теорию — математически у чёрных дыр действительно оказался чётко выраженный диапазон допустимых масс. Но что более важно, теоретический эксперимент показал суперпозицию по массам. Проще говоря, чёрные дыры с точки зрения математики (которая никогда не ошибается), имеют разные массы одновременно.

«Мы хотели выяснить, могут ли [чёрные дыры] одновременно иметь дико разные массы, и оказалось, что да, — сказал ведущий автор исследования Джошуа Фу (Joshua Foo), доктор физико-математических наук из Квинслендского университета. — До сих пор мы глубоко не исследовали, демонстрируют ли чёрные дыры некоторые из странных и удивительных свойств квантовой физики».

Если чёрные дыры обладают квантовыми свойствами в отношении масс, то им присущи и другие квантовые свойства. Звучит интригующе, ведь мы до сих пор были уверены, что пересечение мира субатомных частиц с его квантовой механикой невозможно с тем миром, который мы видим и осязаем вокруг себя тем или иным образом. Оказалось, хотя это пока только математика, макрообъекты потенциально могут быть одновременно и живы и мертвы, создавать квантовую запутанность и, как следствие, проявлять квантовую телепортацию.

Британский стартап Quantum Motion показал квантовый чип с 1024 кубитами, для производства которого прекрасно подошли современные техпроцессы и линии для выпуска полупроводников. Чип изготовлен на обычной 300-мм пластине на линиях неназванной компании. Предложенное решение обещает беспрецедентное масштабирование кубитов и простоту управления ими, хотя разработчики честно сообщают, что до появления универсальных квантовых компьютеров может пройти до 20 лет.

Квантовый чип Bloomsbury (нажмите для увеличения). Источник изображения: theregister.com

Компания Quantum Motion занимается направлением так называемых спиновых кубитов. Здесь производство кремниевых чипов подходит максимально хорошо. На подложке создаются ловушки для одиночных электронов, спины которых определяют квантовые состояния этих частиц. Они же играют роль кубитов, которыми можно управлять и которые можно считывать. Например, спиновые кубиты на 300-мм кремниевых подложках также научилась воспроизводить компания Intel, хотя за много лет дальше 2-кубитовых решений она так и не продвинулась. На этом фоне 1024-кубитовый чип Quantum Motion выглядит настоящим прорывом. Другое дело, является ли он таковым по сути?

«Когда вы говорите "квантовый компьютер общего назначения" или "крупномасштабный квантовый компьютер", это зависит от того, что вы имеете в виду, — сказал технический директор компании Quantum Machines Йонатан Коэн (Yonatan Cohen). — Если вы хотите достичь того, что называется отказоустойчивым крупномасштабным квантовым компьютером, я бы сказал, что на это потребуется от 10 до 15 или, может быть, 20 лет. И именно тогда мы действительно сможем использовать весь потенциал квантового компьютера, как, например, алгоритм Шора, который взламывает код RSA».

В чём же прорыв разработки Quantum Motion? Как и в случае других подобных решений, полупроводниковый квантовый чип помещается в криогенную камеру. Традиционно каждый кубит в такой камере управляется множеством сигнальных каналов. Очень уж сложные схемы для считывания и установки квантовых состояний, которые легко изменить любым шумом. Разработчики из Великобритании и США придумали простую систему управления спиновыми кубитами, которая для 1024-кубитового чипа требует всего 9 проводников. Это открывает путь к масштабированию, но как оно будет на практике, остаётся только догадываться.

Также в компании показали, что современное производство полупроводников в принципе годится для выпуска квантовых процессоров. На одном 0,1 мм² чипа Bloomsbury она смогла разместить 1024 квантовые «точки», квантовыми состояниями которых она смогла управлять.

В самой компании Quantum Motion не собираются разрабатывать квантовые процессоры, что говорит о целом ряде проблем, которые ещё решать и решать. Компания собирается сфокусироваться на аппаратной и программной инфраструктуре, необходимой для работы квантовых систем.

Машинное обучение и искусственный интеллект способны обеспечить прорывы на множестве прикладных и научных направлений. Самыми интересными обещают оказаться успехи в области квантовой физики. Происходящее в квантовом мире сложно понять с позиции здравого смысла, но с точки зрения математики ничего необъяснимого там нет, хотя решать «квантовые» уравнения по-прежнему сложно. Новый подход обещает научить ИИ решать такие задачи намного быстрее.

Визуализация взаимодействия электронов в кристаллической решётке (Модель Хаббарда). Источник: Domenico Di Sante/Flatiron Institute

По понятным причинам для описания квантовых явлений математики и физики используют упрощённые модели. Но даже в таком случае приходится иметь дело с сотнями, тысячами и даже миллионами уравнений для описания процессов взаимодействия ограниченного количества частиц на уровне квантовой механики. Например, для визуализации модели взаимодействия двух электронов в узле кристаллической решётки требуется решить 100 тыс. уравнений — по одному на каждый пиксель визуализации. Это требует колоссальных вычислительных ресурсов. Но ИИ обещает справиться с такой задачей без лишних затрат.

Международная группа итальянских и американских физиков и математиков смогла создать такую модель машинного обучения, которая свела решение задачи всего к четырём уравнениям на пиксель. Причём, без потери в точности. Правда, на обучение ИИ ушло две недели интенсивных вычислений, но результат себя оправдал. Более того, предложенная модель может использоваться для решения других задач применительно к задействованному математическому аппарату — методу ренормализационной группы, что расширит область применения предложенного инструмента физикой элементарных частиц (космологией) и нейронаукой.

«По сути, это машина, способная обнаружить скрытые закономерности, — сказал ведущий автор исследования Доменико Ди Санте (Domenico Di Sante). — Когда мы увидели результат, мы поняли, что это больше, чем мы ожидали. Мы действительно смогли уловить соответствующую физику».

Обычно метод ренормализационной группы оперирует множеством параметров и служит опорой для масштабирования процессов. Исследователи создали модель ИИ, которая на первом этапе создает связи в полноразмерной ренормализационной группе без упрощения, а затем таким образом модифицирует эти связи, чтобы свести все расчёты к небольшому набору уравнений с сохранением аналогичного результата. Конечный результат сохраняется, но пути движения к нему отличаются на множество порядков необходимой вычислительной мощности. Одна беда, учёные пока не понимают, как ИИ вычисляет пути оптимизации, но с этим они намерены разобраться в будущих исследованиях.

Исследователи Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) с коллегами разработали и создали новые дифракционные решетки для сжатия высокоэнергетических лазерных импульсов в самой мощной в мире лазерной системе. Новая конструкция позволит в одном импульсе передавать 10 ПВт энергии (10¹⁶ Вт). Это примерно в десять раз больше всей совокупной мощности энергосистемы США, что необходимо для многих направлений в науке.

Источник изображения: LLNL

Четыре дифракционные решётки HELD (решётки с высокой энергией и низкой дисперсией) размерами 85 × 70 см каждая будут установлены в лазерной системе ELI-Beamlines L4-ATON в Чешской Республике. Подобные HELD-решётки метрового размера потенциально смогут способствовать созданию будущих сверхбыстрых лазерных систем мощностью от 20 до 50 ПВт.

В лазерной системе дифракционные решётки используются для растягивания и последующего сжатия широкополосных лазерных импульсов. Метод усиления чирпированных импульсов (англ. Chirped pulse amplification, CPA) в 1985 году предложили физики Жерар Муру (Gérard Albert Mourou) и Донна Стрикланд (Donna Strickland), за что они в 2018 году получили Нобелевскую премию по физике. В настоящее время метод CPA является единственным для получения лазерного импульса петаваттного уровня.

Благодаря новым дифракционным решёткам установка L4-ATON сможет генерировать 1,5 кДж энергии в импульсах длительностью 150 фс (фемтосекунд, 10^-15 с), что будет соответствовать передаче беспрецедентной мощности в 10 ПВт с частотой повторения один импульс в минуту. Достижение подобных энергий откроет двери для революционных исследований в таких областях, как физика плазмы и высоких плотностей энергии, астрофизика, ускорение частиц с помощью лазера, улучшенная медицинская диагностика, промышленные технологии обработки и обнаружение ядерных материалов.

Упрощённая схема работы лазерной установки с дифракционными решётками в своём составе. Источник изображения: LLNL

По сравнению с современными решётками NIF ARC решётки HELD позволяют получить в 3,4 раза большую плотность энергии. Они достаточно большие, эффективные и прочные, чтобы выдерживать высокую плотность энергии лазерных импульсов. Растягивая во времени и спектрально лазерный «выстрел» дифракционные решётки снижают энергетическую нагрузку на усиливающую оптическую систему, предохраняя её от порчи. После усиления лазерный импульс снова сжимается и тем самым достигает высочайших энергий без вреда для канала оптического усиления.

Энергетический кризис в Европе вынуждает руководство Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN или ЦЕРН) разрабатывать планы аварийной остановки экспериментов. Сообщается, что планы по приостановке ряда вспомогательных ускорителей будут переданы странам-донорам ЦЕРН в сентябре. Комплекс мер обещает уберечь от порчи самый ценный инструмент организации — Большой адронный коллайдер. Его останавливать не планируют.

Источник изображения: Keystone / Christian Beutler

Весной этого года БАК завершил очередной этап модернизации и вышел на третий рабочий цикл (Run3) с рекордной мощностью столкновений протонов — 13,6 ТэВ. Такой уровень обещает в два раза ускорить исследования, поскольку интенсивность столкновений вырастет и это приведёт к росту числа событий. Одновременно с этим ЦЕРН принял решение не продлевать сотрудничество с российскими и белорусскими учёными после завершения действия предыдущего договора, срок которого истекает летом и осенью 2024 года. Но геополитический кризис на Украине будет иметь последствия также для европейских исследователей и учёных из других стран.

В интервью изданию The Wall Street Journal глава комиссии по управлению энергией ЦЕРН Серж Клоде (Serge Claudet) заявил следующее: «Нас действительно беспокоит стабильность энергосистемы, поэтому мы делаем всё возможное, чтобы предотвратить отключение электричества в нашем регионе».

В часы пиковых нагрузок потребление ЦЕРН со всеми её установками достигает 200 МВт. Это примерно 30 % от потребления расположенной недалеко от комплекса Женевы. Потребление электричества в регионе предписано сократить минимум на 15 %, что также коснётся ЦЕРН. БАК необязательно будет останавливать, но часть ускорителей в комплексе придётся перевести на гибкий график работы или планировать остановки. Для этого ЦЕРН просит поставщика энергии — французскую компанию EDF SA — за сутки предупреждать о необходимости снизить потребление.

Заблаговременное отключение мощных потребителей в ЦЕРН позволит обезопасить от аварийных отключений БАК стоимостью $4,4 млрд и не останавливать эксперименты на нём, хотя отключение ряда вспомогательных ускорителей может сказаться на графике научных работ, включая работы на Большом адроном коллайдере. Ожидается, что отключение других ускорителей в комплексе ЦЕРН позволит снизить потребление энергии на 25 %.

Группа учёных из Университета штата Пенсильвания предложила эффективный способ извлечения редкоземельных элементов из электронного мусора. Сегодня это популярное направление для исследований, но химики из Пенсильвании смогли удивить. Для связывания микрочастиц неодима в растворах учёные использовали микрочастицы из переработанных початков кукурузы, кожуры томатов, отходов хлопка и остатков древесины.

Источник изображения: Chemical Engineering Journal

«Такие отходы, как кукурузные початки, древесная масса, хлопок и томатная кожура, часто оказываются на свалках или в компосте, — говорит автор статьи в журнале Chemical Engineering Journal Амир Шейхи (Amir Sheikhi), доцент кафедры химической инженерии. — Мы хотели превратить эти отходы в микро- или наноразмерные частицы, способные извлекать редкоземельные элементы из электронных отходов».

При подготовки эксперимента группа Шейхи измельчила томатную кожуру и кукурузные початки, нарезала древесную массу и хлопковую бумагу на маленькие тонкие кусочки и замочила их в воде. В ходе дальнейшей химической реакции все материалы распались на три различные фракции: микропродукты, наночастицы и солюбилизированные биополимеры. Выяснилось, что добавление микропродуктов или наночастиц в растворы с частицами неодима запускало процесс разделения. Иначе говоря, частицы этого редкоземельного элемента захватывались и могли быть легко отделены от жидкости.

Захват работает благодаря электростатическому взаимодействию отрицательно заряженных микро- и наноматериалов из биологических отходов, которые связываются с положительно заряженными ионами неодима. Учёные уверены, что таким образом можно отделять из растворов другие редкоземельные элементы и драгоценные металлы, например, золото и серебро при переработке печатных плат и других электронных компонентов. Теперь учёные готовятся испытать технологию на промышленном предприятии по переработке отходов.

Наблюдение за грозой в штате Оклахома в мае 2018 года позволило сразу нескольким научным приборам зафиксировать рекордную по мощности разряда молнию, которая оказалась крайне необычной — она ударила не в землю, а разрядилась в сторону открытого космоса. Разряд оказался в 60 раз сильнее обычных грозовых и достиг значения 300 кулон.

Источник изображения: Chris Holmes

Несмотря на бурное развитие земной науки, учёные всё ещё не до конца понимают процессы, происходящие при грозовых разрядах в атмосфере. И уж тем более загадочно выглядят явления разрядов из облаков вверх по направлению к открытому космосу. А в майском небе над Оклахомой в 2018 году и вовсе произошёл из ряда вон выходящий случай — из облака в небо ударил мощнейший из когда-либо наблюдаемых учёными струеподобный разряд (джет) рекордной силы.

За грозовой обстановкой в тот момент наблюдало несколько групп учёных, а также любители. За грозой следили наземная система Lightning Mapping Array, космические сети Geostationary Lightning Mapper (GLM) и Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), а также энтузиаст, снимавший процесс на камеру. Собрав все данные воедино, учёные смогли изучить процесс образования разряда в ионосферу и его протекание более детально, чем раньше.

Радиочастотное излучение джета оказалось различным на разных участках струи. На высоте от 22 до 45 км обнаружились источники радиоизлучения очень высокой частоты (ОВЧ, от 30 до 300 МГц). На этой высоте разряд не был виден в оптическом диапазоне. Видимость была на высоте от 15 до 20 км от вершины облака, с которого произошёл разряд.

«УКВ и оптические сигналы окончательно подтвердили то, о чём исследователи подозревали, но еще не доказали: УКВ-радиоизлучение молнии испускается небольшими структурами, называемыми стримерами, которые находятся на самом кончике развивающейся молнии, в то время как самый сильный электрический ток течет далеко позади этого кончика в электропроводящем канале, называемом лидером», — пояснил Стив Каммер (Steve Cummer), автор исследования.

Также было установлено, что стримеры относительно холодные — около 204 °C, тогда как лидеры могут достигать высоких температур — более 4 425 °C. Но об этих гигантских выбросах ещё многое неизвестно, и не в последнюю очередь то, почему они разряжаются вверх в сторону ионосферы. Пока на этот счёт есть только теория.

«По какой-то причине происходит подавление обычных разрядов от облаков к земле, — сказал другой автор исследования Леви Боггс (Levi Boggs). — Происходит накопление отрицательного заряда, а затем, мы думаем, что условия в вершине грозы ослабляют верхний слой заряда, который обычно является положительным. В отсутствие разрядов молний, которые мы обычно наблюдаем, гигантская струя может разрядить [вверх] накопление избыточного отрицательного заряда в облаке».

Учёным осталось доказать теорию наблюдениями, и тогда загадка происходящих в молниях физических процессов будет полностью разгадана. Это нужно, в том числе, чтобы защищать земные строения и людей от разрушительных и смертельных ударов молний. Пока защита строится на установке примитивных (хотя и действенных) громоотводов. Перспективными в этом деле обещают оказаться лазеры, но отсутствие полного понимания процессов пока тормозит разработки.

В самом престижном научном журнале Nature Energy вышла статья немецких учёных о разработке технологии масштабируемого производства самых совершенных на сегодня перовскитных солнечных фотоэлементов. Речь идёт о полностью перовскитном тандемном солнечном элементе, оба слоя которого содержат кристаллические структуры только этих минералов. Это означает, что такие элементы можно производить просто и быстро без потери довольно высокой эффективности.

Источник изображения: Bahram Abdollahi Nejand, KIT

Тандемные солнечные элементы позволяют ячейкам работать в более широком энергетическом спектре. Например, верхний кремниевый слой поглощает красный и инфракрасные спектры, а нижний перовскитный — синий и зелёные. На прошлой неделе такие тандемные перовскитные ячейки установили рекорд по эффективности, когда КПД фотоэлементов впервые в истории превысил 30 % (для элемента площадью 1 см², что важно, поскольку при увеличении масштаба КПД снижается). Результат удивительный, хотя следует помнить, что один из слоёв этого элемента представлен кремнием со всеми вытекающими особенностями производства, включая дорогую обработку.

В новом исследовании учёные из Технологического института Карлсруэ (KIT) задались целью создать тандемную ячейку исключительно из перовскитных минералов с разной шириной запрещённой зоны, что дало бы возможность верхнему и нижнему слоям ячейки работать с разными спектрами и избежать использования кремния. Полученный результат оказался настолько хорош, что учёные назвали разработку прямым путём к массовому производству тандемных чисто перовскитных ячеек.

Используя комбинации механического нанесения растворов и вакуумного напыления, исследователи создали ячейку, которая при чистой площади фотоэлемента 12,25 см² (без учёта рамок и контактных электродов) показала КПД на уровне 19,1 %. При изготовлении такого же элемента площадью 0,1 см² КПД составило 23,5 %. Кратное масштабирование процесса изготовления привело всего к неполным 5 % падения эффективности. Это означает, что техпроцесс может быть масштабирован до массового без значительной потери эффективности. При этом сохраняются главные преимущества производства перовскитных ячеек — обработка с помощью жидких растворов и, как следствие, возможность создавать фотоэлектрические поверхности сложных форм и на гибкой подложке.

Работа свободно доступна в издании Nature Energy по ссылке.

Учёные из Массачусетского технологического института разработали технологию более эффективного кипячения жидкостей. Предложенное решение снизит энергозатраты в широком спектре промышленного производства, а также откроет путь к лучшему охлаждению в электронике.

Источник изображения: MIT

В основе процесса кипячения жидкостей лежит борьба компромиссов между критическим тепловым потоком и коэффициентом теплопередачи. Повышая первый, мы вызываем снижение второго и наоборот. В частности, при кипячении воды, чем выше интенсивность нагрева, тем активнее на поверхности кипячения образуются пузырьки водяного пара. С определённого момента пузырьки сливаются в одну сплошную плёнку, теплопроводность которой ниже, чем у воды, а это ведёт к снижению интенсивности кипячения и к перерасходу энергии на поддержание процесса.

Исследователи из MIT задались целью одновременно улучшить оба параметра не нарушая законов физики. Сделать это удалось благодаря разработке многоуровневого покрытия поверхности кипения, о чём они рассказали в журнале Advanced Materials. Основная идея заключалась в том, чтобы не дать пузырькам газа при кипении жидкости слиться в одну сплошную плёнку. Для этого на поверхности кипячения были сделаны углубления диаметром около 10 мкм с шагом 2 мм. Но это далеко не всё. Углубления были сделаны на вершинах столбиков диаметром чуть больше 20 мкм. Столбики за счёт большей площади обеспечивали как лучший нагрев жидкости, так и естественную подачу жидкости (циркуляцию) от основания к вершине.

Третьим улучшением стало «текстурирование» вершин столбиков наноструктурами — гребнями и лезвиями масштаба от десятков до сотен нанометров. Такая текстура способствовала тому, что испарение происходит быстрее за счёт увеличения поверхности кипячения в точке парообразования, что также быстрее отводит пар и не даёт ему застаиваться. Фактически между пузырьками пара и поверхностью кипячения постоянно остаётся жидкость, что не даёт пару снизить тепловую передачу между источником нагрева и жидкостью.

Источник изображения: Advanced Materials

Учёные отмечают, что создать простое решение для практического использования пока нельзя. Процесс создания текстурированной поверхности для наиболее эффективного кипячения жидкостей сложен и требует чистых комнат и оборудования, подобного оборудованию для производства полупроводников. Исследователи лишь доказали осуществимость идеи и намерены разработать техпроцесс более доступного текстурирования поверхностей кипячения. К слову, для разных жидкостей будут свои текстуры, поскольку коэффициенты натяжения у разных жидких сред разные.

В то же время учёные считают, что отрасль производства электроники может уже сейчас выиграть от предложенной технологии. Отводить тепло приходится со всё меньшей и меньшей площади чипов, а нанести текстуру на радиатор или даже непосредственно на процессор будет не так уж дорого, если держать в уме эффективность и общие затраты на системы охлаждения.

Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего разрабатывают новое поколение аккумуляторов, которые смогут работать при экстремальных температурах окружающей среды, будут обладать длительным сроком службы, и при этом обеспечат хорошие энергетические характеристики. Такие аккумуляторы будут запасать в два раза больше энергии, чем существующие, и сохранят работоспособность в лютый мороз и экстремальную жару.

Источник изображения: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

В основе перспективных аккумуляторов лежат катоды с серой вместо кобальта (это существенный шаг к снижению цен на батареи, а также защита окружающей среды), а также особый электролит с ослабленными ионными связями, который позволяет ионам более равномерно распределяться в аккумуляторах во время зарядки. Эксперименты с электролитом позволили разработать его версию с высокой температурой кипения, а это открывает путь к аккумуляторам, способным выдержать экстремальную жару либо снизить стоимость систем охлаждения автомобильных аккумуляторов.

Использование солей лития и дибутилового эфира с температурой кипения 141 °C привело к появлению электролита, который не закипает при нагреве до «трёхзначных» значений температуры окружающей среды, которая вполне реальна при особенно высокой температуре воздуха и высокой нагрузке на аккумулятор. Также новый электролит в сочетании с катодами, содержащими серу, остаётся работоспособным при температуре воздуха за бортом -40 °C.

В ходе экспериментов учёные показали, что при охлаждении до -40 °C новый аккумулятор сохраняет 87,5 % ёмкости и 115,9 % ёмкости сохраняется при температуре 50 °C. Такой показатель аккумуляторов как кулоновская эффективность сохраняется свыше 98 % в указанном диапазоне температур. Иными словами, потери полученного аккумулятором от зарядного устройства тока составляют менее 2 %.

Работа по новому аккумулятору опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Прежде чем разработать коммерчески выгодную технологию массового производства литийсерных аккумуляторов учёные намерены сосредоточиться на увеличении их срока службы и на ещё большем расширении диапазона рабочих температур.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли генетически модифицировали бактерии, чем заставили их синтезировать очень и очень эффективное биотопливо. Плотность энергии этого топлива оказалась выше, чем у ракетного топлива и в полтора раза выше, чем у бензина, что позволит проезжать на одном баке большее расстояние.

Источник изображения: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Синтез пока не позволяет вырабатывать достаточно топлива для испытаний в двигателях, но согласно компьютерному моделированию, новое топливо будет безопасным и стабильным при комнатной температуре, а его энергетическая плотность составит более 50 мегаджоулей на литр (МДж/л). Это значительно больше, чем у существующих видов топлива. К примеру, плотность энергии у бензина составляет около 33 МДж/л, а у керосина для реактивных и ракетных двигателей — около 43 МДж/л.

С химической точки зрения новое топливо — это полициклопропановые метиловые эфиры жирных кислот (POP-FAME). Они состоят из семи наборов циклопропановых колец, каждое из трёх атомов углерода, соединённых в треугольную форму со связями под углом в 60 градусов. Разрушение связей ведёт к высвобождению потенциальной энергии, что происходит при горении. Длину цепочек можно регулировать, получая твёрдое топливо при максимальной длине молекулы, дизельное топливо при средней длине и лёгкое ракетное топливо на сильно укороченных цепочках.

Источник изображения: Pablo Cruz-Morales

Специально выведенные с помощью пересадки генов бактерии из семейства Streptomyces поедают растительные остатки и синтезируют вещество, которое требует всего одной химической обработки для получения топлива с заданными свойствами. Пока бактерии и новое биотопливо не готово к массовому использованию. Предстоит ещё много работы по получению штаммов бактерий с лучшей продуктивностью, но проделанная работа удивительна, что подтверждает публикация в журнале Joule.

Наличие в США источников редкоземельных элементов не противоречит тому, что в стране отсутствуют заводы по отделению и очистке этого сырья. Это очень грязное производство, которое поручили другим странам, например, Китаю. И если подобное разделение труда оправдано экологически и экономически, то стратегически США оказались в сложном положении. Редкоземельное сырьё критически важно для оборонного сектора, а внутреннего источника нет. Поэтому США ищут варианты.

Источник изображения: DARPA

Решить проблему экологической чистоты и получения редкоземельных элементов на территории США поручено, в том числе, учёным из Национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL). Лаборатория заключила контракт с Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) на проведение первой фазы исследований по выявлению и искусственному выращиванию биологических микроорганизмов, которые могли бы естественным путём отделять и очищать редкоземельные элементы из малообогащённых руд и отвалов.

Контракт заключён в рамках исполнения программы DARPA EMBER (Environmental Microbes as a BioEngineering Resource). Стоимость контракта на выполнение первой фазы составляет $4 млн. Если учёными будут решены поставленные задачи, контракт будет продлён на последующие фазы с оплатой работ на сумму $9 млн.

«Команда будет использовать достижения в области микробной и биомолекулярной инженерии для разработки масштабируемой стратегии разделения и очистки редкоземельных элементов (РЗЭ) на основе биоматериалов с использованием недостаточно развитых отечественных источников. РЗЭ — это набор из 17 элементов периодической таблицы, включающий 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий», — сказано в пресс-релизе LLNL.

Учёные намерены как испытать ранее идентифицированные микробы и белки, которые уже были протестированы и использованы для очистки и разделения редкоземельных элементов, так и проведут поиск новых микроорганизмов. В конечном итоге учёные надеются представить коммерчески зрелые платформенные биотехнологии для разделения и очистки редкоземельных элементов в промышленном масштабе.

Учёные из Гарвардского университета разработали первый в мире компьютерный чип, который передаёт и обрабатывает данные с помощью звуковых волн, а не потоков электронов. Новшество может найти применение как для классических компьютеров, так и для квантовых.

Источник изображения: Linbo Shao/Harvard SEAS

Сегодня данные в процессорах передаются и обрабатываются либо с помощью электрического тока (электронами), либо с помощью импульсов света (фотонами). Использование звуковых колебаний для передачи данных ближе к оптической передаче, но имеет свои особенности. Главным преимуществом акустического сигнала учёные считают способность намного сильнее взаимодействовать с системой, чем это могут фотоны. Например, звук может снизить вероятность ошибок или повысить энергоэффективность решений.

В то же время скорость распространения звука в материале ниже, чем для электромагнитных волн на той же частоте. Очевидно, необходимо будет искать компромисс, подчёркивая плюсы и нивелируя недостатки. В любом случае, появился новый путь для микроэлектроники, а кто и как им воспользуется — это отдельный вопрос.

«Акустические волны перспективны как носители информации на кристалле для квантовой и классической обработки информации, но разработка акустических интегральных схем была затруднена невозможностью управлять акустическими волнами с малыми потерями и масштабируемым способом, — сказал Марко Лонкар (Marko Loncar), профессор электротехники и ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature Electronics. — В этой работе мы показали, что можем управлять акустическими волнами на интегрированной платформе из ниобата лития, что еще на один шаг приближает нас к акустической интегральной схеме».

Фактически учёные создали только один компонент потенциального акустического чипа — электроакустический модулятор на кристалле. Предыдущие акустические устройства были пассивными. Изобретение американских учёных добавляет в инструмент проектировщиков чипов электронные цепи для активного управления звуковыми волнами как носителями цифровой информации. Модулятор применяет электрическое поле для управления фазой, амплитудой и частотой звуковых волн. В некотором роде это можно считать аналогом транзистора в современной электронике. Пожалуй, такого ещё не было. Но во что выльется это изобретение остаётся только догадываться.

Исследователи из Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк) создали элемент питания на основе бактерий, который оказался способен вырабатывать электроэнергию в течение нескольких недель. Батарея состоит из трёх слоёв с разными типами бактерий, которые длительное время поддерживают жизнедеятельность друг друга и это главный секрет долгой работы устройства.

Источник изображения: Binghamton University

Биобатареями в Университет штата Нью-Йорк в Бингемтоне давно занимается профессор Сеохун Чой (Seokheun Choi). На его счету целый ряд проектов бумажных аккумуляторов на основе бактерий. Но все они имели серьёзный недостаток — работали очень недолго. Целью последних исследований специалиста стало создание долговечных батарей с помощью объединения нескольких видов бактерий, которые могли бы поддерживать друг друга.

Научная работа привела к появлению трёхслойной батареи, в которой сверху находятся бактерии, чувствительные к свету — под его воздействием они вырабатывают органические соединения для питания бактерий в нижних слоях. Бактерии в промежуточном слое также производили питательные вещества, а бактерии в нижнем слое вырабатывали электричество, питаясь органическими соединениями, синтезированными сверху.

Опытный элемент питания площадью 3 см² смог вырабатывать электроэнергию в течение нескольких недель. Очевидно, что подобные элементы будут полезными для работы небольших датчиков или электроники без надзора человека. Для достижения необходимой мощности биобатареи достаточно набрать пакет из нужного количества блоков. Впрочем, учёный намерен сосредоточиться на создании самовосстанавливающихся бактериальных батарей, способных плавать на поверхности водоёмов.

Дисплеи OLED стали прорывом после ЖК-экранов, в чём существенно помогла органическая природа светодиодов первых. Органические материалы идеальны для производства электроники на тонких и гибких подложках, поскольку для этого широко используются технологии струйной печати. И если со светодиодами и полевыми транзисторами из органики всё было более-менее хорошо, то достойных органических биполярных транзисторов не было. Но теперь они есть!

Источник изображения: TU Dresden

Первый в мире эффективного биполярный транзистор из органических (углеродсодержащих) материалов создали специалисты из Технического университета Дрездена (TUD). Группа работала под руководством профессора Карла Лео (Karl Leo), который вынашивал идею более 20 лет. И всё получилось, о чём разработчики сообщили в статье в журнале Nature.

Решающее значение для изобретения имело использование высокоупорядоченных тонких органических слоёв. Новая технология обеспечила создание намного более производительного транзистора, чем предыдущие разработки в этой области. Впервые органические биполярные транзисторы достигли рабочих частот в гигагерцовом диапазоне. Это означает, что «органика» открывает себе путь к «цифре» — к мощным и производительным процессорам и контроллерам на гибких подложках, которым найдутся сотни применений, от электроники до имплантатов.

Источник изображения: Nature

Доктор Шу-Джен Ванг (Shu-Jen Wang), который руководил проектом вместе с доктором Майклом Савацки, объяснил: «Первая реализация органического биполярного транзистора была большой проблемой, поскольку нам пришлось создавать слои очень высокого качества и новые структуры. Однако превосходные параметры компонента вознаградили эти усилия».