Kwiecień 2019

Kofeina zwiększa wydajność perowskitowych paneli słonecznych

Niektórzy ludzie wręcz nie potrafią rozpocząć dnia bez kawy, która daje zastrzyku energii. Co ciekawe, zawarta w niej kofeina pomaga nie tylko ludziom. Naukowcy wykazali, że kofeina zwiększa efektywność konwersji światła słonecznego w energię elektryczną.

 

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles oraz chińskiej firmy Solargiga Energy zupełnie przez przypadek wpadli na pomysł, aby usprawnić perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne kofeiną. Związek ten jest alkaloidem, zawierającym struktury molekularne, które mogą oddziaływać z prekursorami materiałów perowskitowych.

Poprzednie próby poprawy stabilności termicznej perowskitowych ogniw fotowoltaicznych polegały na dodaniu dimetylosulfotlenku, lecz naukowcy nie zdołali osiągnąć długoterminowej stabilności i nie poprawili wydajności paneli słonecznych. Dlatego postanowiono poeksperymentować z kofeiną. Zespół dodał ten związek do ogniwa fotowoltaicznego, a z pomocą spektroskopii w podczerwieni sprawdził, czy kofeina pomyślnie związała się z materiałem.

Badacze zaobserwowali, że zawarte w kofeinie grupy karbonylowe oddziaływały z jonami ołowiu w warstwie, tworząc „blokadę molekularną”. W wyniku tej interakcji, wydajność perowskitowego ogniwa fotowoltaicznego wzrosła z 17% do ponad 20% i udało się zapobiec rozkładowi warstwy pod wpływem temperatury.

 

Naukowcy z zaskoczeniem doszli do wniosku, że kofeina rzeczywiście poprawiła wydajność perowskitowych ogniw fotowoltaicznych. Jednak ze względu na unikalną strukturę kofeiny, związek ten nadaje się jedynie do ogniw wykonanych z perowskitów. Te z kolei są tańsze, bardziej elastyczne i łatwiejsze w produkcji niż krzemowe panele słoneczne. Badacze uważają, że kofeina może ułatwić produkcję perowskitowych ogniw fotowoltaicznych na dużą skalę.

 


Naukowcom udało się odnaleźć naturalnie występujący wodorek helu – pierwszą cząsteczkę utworzoną po Wielkim Wybuchu

Ponad 13 miliardów lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu powstał wszechświat. Od wielu lat astronomowie starają się odtworzyć obraz młodego wszechświata, a ważnym elementem układanki jest odkrycie pierwszej cząsteczki, która kiedykolwiek powstała.

Po Wielkim Wybuchu we wszechświecie istniała tylko garść atomów, w tym wodór i hel. Naukowcy doszli do wniosku, że oba atomy połączyły się, tworząc pierwszą cząsteczkę wszechświata, wodorek helu znany także jako HeH+. Nikt jednak nie był w stanie znaleźć śladów wodorku helu w dowolnym miejscu na świecie – aż do tej pory.

„Brak dowodów na istnienie wodorku helu w przestrzeni międzygwiezdnej był dylematem dla astronomii od dziesięcioleci.” – powiedział Rolf Guesten, główny autor badania i pracownik Instytutu Astronomii Radiowej Maxa Plancka.

Niemal sto lat temu naukowcom udało się stworzyć cząsteczkę w laboratorium. Teraz, po wielu latach, wodorek helu został odnaleziony w naturalnym środowisku.

 

Pierwiastek został odnaleziony w sercu umierającej gwiazdy znajdującej się w sąsiedniej galaktyce, położonej około 3000 lat świetlnych od Ziemi. Mgławica planetarna NGC 7027 to gwiazda, która wchodzi w ostatni etap swojego istnienia. Po wykorzystaniu całego potencjału energetycznego zamieni się w białego karła.

 

Przez dziesięciolecia naukowcy uznali, że NGC 7027 zapewnia idealne środowisko do tworzenia wodorku helu z powodu jego ciepła i promieniowania ultrafioletowego, jednak nie dysponowano technologią, która pozwoliłaby na zweryfikowanie domysłów.

Aby zidentyfikować cząsteczkę z mgławicy planetarnej oddalonej o tysiące lat świetlnych, naukowcy wykorzystali ultraczułe przyrządy w Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy NASA. Próbki są pobierane przez specjalne urządzenie, które znajduje się na wysokości ponad 13 tys. metrów i wykorzystuje fale radiowe do badania odległych obiektów.

 

Wraz z tworzeniem wodorku helu wszechświat zaczął osiadać i ochładzać się. Ostatecznie atomy wodoru połączyły się z wodorkiem helu, tworząc wodór cząsteczkowy, który jest budulcem pierwszych gwiazd we wszechświecie.

 

 


Astronomowie zaprezentowali pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Czekaliśmy lata, ale cierpliwość popłaciła. Zespół naukowców, który pracuje nad wielkim projektem Event Horizon Telescope (EHT), przedstawił pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury. Jest to zarazem pierwszy dowód potwierdzający istnienie tych kosmicznych obiektów.

 

Event Horizon Telescope wymagał kilku dekad pracy teoretycznej, obserwacyjnej i technicznej. Dyrektor projektu, Sheperd S. Doeleman, kierował międzynarodowym zespołem, składającym się z ponad 200 naukowców. Jego realizacja nie byłaby możliwa bez udziału współczesnej zaawansowanej technologii – dzięki połączonej pracy radioteleskopów z całego świata otrzymaliśmy jeden wielki wirtualny radioteleskop wielkości Ziemi.

Projekt naukowy skupia się na czarnych dziurach. W kwietniu 2017 roku, sieć radioteleskopów prowadziła obserwacje czarnej dziury w wielkiej galaktyce eliptycznej Messier 87, lub w skrócie M87. Obiekt ten jest oddalony o około 53 miliony lat świetlnych od Ziemi.

Czarna dziura w galaktyce M82, wizja artystyczna - źródło: ESO

Każdy radioteleskop zgromadził ogromne ilości danych, które zostały zapisane na specjalnych twardych dyskach i fizycznie przetransportowane do Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka oraz Obserwatorium Haystack na Instytucie Technologicznym Massachusetts. Dane te zostały przeanalizowane przez specjalistyczne superkomputery i dopiero teraz widzimy efekty pracy.

 

Poniższe zdjęcie przedstawia „cień” czarnej dziury, który ma 40 miliardów kilometrów szerokości, a horyzont zdarzeń jest około 2,5 raza mniejszy. Na podstawie obserwacji ustalono, że czarna dziura w galaktyce M87 obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Co więcej, udało się też wyliczyć masę czarnej dziury niezależnie od ruchów gwiazd. Masa ta wynosi 6,5 miliarda mas Ziemi.

Zdjęcie czarnej dziury w galaktyce M82 - źródło: Event Horizon Telescope Collaboration

Projekt Event Horizon Telescope prowadził również obserwacje czarnej dziury Sagittarius A*, która położona jest w centrum Drogi Mlecznej w odległości 26 tysięcy lat świetlnych od Ziemi i posiada masę 4,3 miliona mas Słońca. Na fotografię „cienia” tej czarnej dziury będziemy musieli jeszcze poczekać, gdyż superkomputery wciąż przetwarzają pozyskane dane.

 

Mamy więc pierwszy dowód na istnienie czarnych dziur. Cała nasza wiedza o tych wielkich czarnych potworach pochodzi od zjawisk, które obserwujemy w ich otoczeniu. Projekt EHT będzie wciąż kontynuowany – w kolejnych latach przyłączone zostaną kolejne radioteleskopy i będziemy mogli prowadzić kolejne obserwacje, dzięki którym będziemy mogli poznawać czarne dziury.

 


Opracowano metodę schładzania wody do temperatury bliskiej zera bezwzględnego bez zamrażania

Woda po schłodzeniu do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza zamienia się w lód i przechodzi w stan stały. Jednak naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu oraz Uniwersytetu Zuryskiego dokonali „niemożliwego” - udało im się schłodzić wodę do temperatury -263 stopni Celsjusza bez jej zamrażania.

 

Zespół badawczy pod kierownictwem profesorów Raffaele'a Mezzenga i Ehuda Landau odkrył metodę, która pozwala zapobiegać tworzeniu się kryształków lodu w wodzie. Oznacza to, że można schładzać wodę nawet do ekstremalnie niskich temperatur, a mimo to zachowuje ona cechy amorficzne cieczy.

 

W pierwszym etapie badania, naukowcy zaprojektowali i zsyntetyzowali nową klasę lipidów (cząsteczek tłuszczu), aby stworzyć nową formę „miękkiej” materii biologicznej, znanej jako mezofaza lipidowa. W materiale tym, lipidy samoistnie gromadzą się i agregują, tworząc błony i zachowując się w sposób zbliżony do naturalnych cząsteczek tłuszczu. Membrany te przyjmują układ jednolity, tworząc sieć połączonych kanałów o średnicy mniejszej niż jeden nanometr. Temperatura, zawartość wody oraz nowa struktura zaprojektowanych cząsteczek lipidowych określają strukturę mezofazy lipidowej.

Źródło: Livia Salvati Manni/ETH Zurich

Cechą szczególną tej struktury jest to, że w wąskich kanałach po prostu brakuje miejsca na uformowanie się kryształów lodu, a lipidy nie zamarzają, dlatego woda pozostaje nieuporządkowana nawet w ekstremalnie niskich temperaturach.

 

Z pomocą ciekłego helu, naukowcy zdołali schłodzić mezofazę lipidową, składającą się z modyfikowanego chemicznie monoacyloglicerolu, do temperatury rzędu -263 stopni Celsjusza, czyli całkiem blisko temperatury zera absolutnego. Woda stała się „szklista” i nie powstały w niej kryształki lodu. Kluczowym czynnikiem jest tu stosunek lipidów do wody. Zawartość wody w mieszaninie określa temperatury, w których zmienia się geometria mezofazy.

Rozwój takich lipidów jest trudny ze względu na ich syntezę i oczyszczanie. Cząsteczki lipidowe mają dwie części: jedna z nich jest hydrofobowa, czyli odpycha wodę, z kolei druga jest hydrofilowa, a więc przyciąga wodę.

 

Nowe mezofazy lipidowe posłużą przede wszystkim jako narzędzie dla innych naukowców, gdyż można je wykorzystać do nieniszczącego izolowania, przechowywania i badania dużych biomolekuł w środowisku naśladującym błonę, np. za pomocą kriogenicznej mikroskopii elektronowej. Biolodzy coraz częściej korzystają z tej metody, aby określić struktury i funkcje dużych biomolekuł. Nowa klasa miękkiej materii znajdzie również zastosowanie wszędzie tam, gdzie konieczne jest zapobieganie zamarzaniu wody.

 


Odkryto nowy stan materii, w którym atomy istnieją jednocześnie jako ciała stałe i ciecze

Do tej pory uważano, że atomy w materiale fizycznym występują w jednym z trzech stanów – stałym, ciekłym lub gazowym. Jednak teraz naukowcy odkryli, że niektóre elementy w specyficznych warunkach mogą przyjmować właściwości stanów stałych i ciekłych jednocześnie.

 

Zespół z Uniwersytetu w Edynburgu wykonał liczne symulacje komputerowe, aby lepiej przyjrzeć się tzw. stanowi stopionego łańcucha. Badania zachowań 20 tysięcy atomów potasu w ekstremalnych warunkach ujawniły, że powstałe struktury reprezentują nowy stabilny stan materii.

 

Po zastosowaniu ciśnienia rzędu od 20 000 do 40 000 atmosfer oraz temperatur od 126 do 526 stopni Celsjusza, potas wchodzi w stan stopionego łańcucha, w którym powstają dwie połączone ze sobą stałe struktury kratowe. W tym stanie, łańcuchy rozpuszczają się w ciecz, podczas gdy pozostałe kryształy potasu są w postaci stałej.

 

Do tej pory nie było jasne, czy te niezwykłe struktury reprezentują odrębny stan materii, czy też istnieją jako etapy przejściowe między dwoma różnymi stanami. Naukowcy uważają, że przy odpowiednich warunkach również inne pierwiastki chemiczne, takie jak sód czy bizmut, mogą istnieć w nowo odkrytym stanie.

 

Stan stopionego łańcucha dołączył właśnie do szeregu innych niezwykłych stanów materii, nie licząc oczywiście gazu, cieczy i stanu stałego. Są to: plazma, kondensat Bosego-Einsteina, nadprzewodnictwo, nadciekłość, materia zdegenerowana i plazma kwarkowo-gluonowa.

 


RNA i DNA mogły powstać razem przed pojawieniem się życia na Ziemi

Naukowcy po raz pierwszy znaleźli mocne dowody na to, że RNA i DNA mogły powstać z tego samego zestawu cząsteczek prekursorowych jeszcze zanim życie wyewoluowało na Ziemi. Najnowsze odkrycie sugeruje, że pierwsze żywe istoty na naszej planecie mogły posiadać zarówno RNA, jak i DNA, podobnie jak wszystkie współczesne formy życia oparte na komórkach.

 

RNA (kwas rybonukleinowy) i DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) są chemicznie bardzo podobne do siebie, lecz naukowcy nigdy nie byli w stanie wykazać, w jaki sposób jeden związek chemiczny mógłby przekształcić się w drugi we wczesnej historii Ziemi, bez udziału enzymów wytwarzanych przez wczesne organizmy. Ponieważ nie udało się dotychczas odnaleźć ścieżki chemicznej łączącej RNA z DNA, przyjęło się, że RNA była podstawą pierwszych form życia przed pojawieniem się DNA.

 

RNA jest w stanie przechowywać informacje genetyczne w sposób podobny do DNA, potrafi katalizować reakcje biochemiczne tak jak enzymy białkowe i prawdopodobnie mogła wykonać podstawowe zadania biologiczne, które byłyby konieczne w pierwszych formach życia.

 

Choć badania na przestrzeni ostatnich dekad zdają się potwierdzać hipotezę „świata RNA”, zespół naukowy z amerykańskiego instytutu Scripps Research i brytyjskiego Medical Research Council zdobył właśnie mocne dowody na to, że RNA i DNA mogły powstać mniej więcej w tym samym czasie w pierwszych formach życia. Przykładowo w badaniu z 2017 roku zidentyfikowano związek, który prawdopodobnie był obecny na prebiotycznej Ziemi i mógł wykonać kluczowe zadanie, polegające na łączeniu bloków budulcowych RNA w większe nici RNA – i dokładnie to samo mógł wykonać z blokami budulcowymi DNA i białkami.

Teraz naukowcy połączyli spostrzeżenia z tamtego badania z najnowszym odkryciem, nawiązującym do związku zwanego tiourydyną, który prawdopodobnie był obecny na Ziemi jeszcze przed powstaniem życia i mógł być chemicznym prekursorem nukleozydowych elementów składowych wczesnych RNA. Z pomocą kilkuetapowej reakcji chemicznej, zespół naukowy mógł przekształcić prekursor bloku budulcowego RNA w blok budulcowy DNA – deoksyadenozynę, która tworzy literę „A” we współczesnym czteroliterowym kodzie DNA. Alternatywnie udało się też przekształcić tiourydynę w deoksyrybozę, która jest bardzo blisko spokrewniona z deoksyadenozyną i również może być prekursorem wczesnych bloków budulcowych DNA.

 

Najnowsze odkrycie sugeruje, że DNA i RNA mogły powstać razem i były obecne w pierwszych formach życia. Naukowcy nie wykluczają, że RNA i DNA mogły nawet zostać zmieszane ze sobą, tworząc pierwsze geny. Takie organizmy nie występują dziś naturalnie, ale zespół z instytutu Scripps Research opisał niedawno zmodyfikowaną bakterię, która potrafi przetrwać z genami utworzonymi z mieszanki RNA i DNA.

 

Naukowcy podejrzewają, że niezależnie od tego, jak powstało życie, RNA i DNA mogły szybko przydzielić sobie odpowiedni podział pracy – DNA zajęło się stabilnym długoterminowym przechowywaniem informacji genetycznej, a RNA wykonywała własne specjalne zestawy zadań, w tym krótkotrwałe przechowywanie i transport informacji genetycznej oraz wytwarzanie białek. RNA i DNA mogły być początkowo zmieszane ze sobą, ale rozdzieliły się w zależności od wykonywanych zadań.

 


Pajęcza sieć z modyfikowanych genetycznie bakterii pozwoli stworzyć skafandry kosmiczne nowej generacji

Pajęcza sieć, ze względu na swoje niesamowite właściwości, jest doskonałym materiałem do produkcji bardzo mocnych tkanin. Jedyne co stoi na przeszkodzie do wykorzystania pajęczej sieci jest jej masowa produkcja. Na szczęście, naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtona w St. Louis wykonali ważny krok w tym kierunku.

 

Zespół badawczy postanowił wykorzystać w swojej pracy bakterie. Uczeni podzielili geny pajęczego jedwabiu i wprowadzili je do genomu bakteryjnego. Dzięki tej metodzie udało się wytworzyć dwa gramy pajęczego jedwabiu na każdy litr modyfikowanych genetycznie bakterii.

Co istotne, powstały materiał posiadał doskonałe właściwości, niczym sieć wytworzona przez pająki, i był kilka razy silniejszy od stali. Dwa gramy materiału na litr bakterii to faktycznie niewiele, lecz jest to jednak o wiele lepszy rezultat w stosunku do innych prób masowej produkcji pajęczej sieci.

 

Naukowcy muszą w jakiś sposób usprawnić cały ten proces, aby móc wytwarzać większe ilości materiału. Pajęcza sieć ze względu na swoje właściwości może okazać się przydatna w produkcji bardzo wytrzymałych tkanin. Agencja NASA z pewnością byłaby zainteresowana nowymi, jeszcze mocniejszymi skafandrami kosmicznymi. Co więcej, astronauci mogliby hodować bakterie w kosmosie, aby produkować materiał do własnych potrzeb.

 


Polski fizyk odkrył nową klasę pentakwarków

Tomasz Skwarnicki, profesor fizyki z Uniwersytetu w Syracuse, odkrył dowody na istnienie trzech niespotykanych dotąd pentakwarków, które dzielą się na dwie części. Sukces ten może pomóc zrozumieć strukturę materii we Wszechświecie.

 

Do tej pory sądzono, że pentakwark składa się z pięciu sklejonych ze sobą cząstek elementarnych, zwanych kwarkami. Jednak Tomasz Skwarnicki przeanalizował dane z eksperymentu LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów z lat 2015-2018 i potwierdził istnienie podstruktury w pentakwarku. Na jej obecność wskazywały trzy wąskie silne sygnały, a każdy z nich odnosi się do konkretnego pentakwarka, który składa się z dwóch części – barionu z trzema kwarkami i mezonu z dwoma kwarkami.

 

Sygnały te wskazują na rezonans – krótkotrwałe zjawisko występujące podczas rozpadu cząstek, w którym jedna niestabilna cząstka przekształca się w kilka innych cząstek. Rezonans ten ma miejsce podczas zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Źródło: CERN

Wszystkie trzy nowo odkryte pentakwarki cechują się tym, że ich masa jest nieco niższa niż suma ich części składowych. Cząstki te nie rozpadają się w typowy sposób. W grę wchodzi proces, w którym dochodzi do złożonej rekonfiguracji kwarków i występuje rezonans.

 

Wielki Zderzacz Hadronów pozwala testować teorie i hipotezy, które narodziły się dekady temu. Fizycy mają obecnie do dyspozycji aż 10 razy więcej danych niż w 2015 roku. Dzięki temu mogą obserwować strukturę pentakwarków z jeszcze większą precyzją.

 


Amerykanie boją się autonomicznych samochodów

Choć samojeżdżące samochody postrzegane są jako przyszłość motoryzacji, coraz więcej ludzi wyraźnie obawia się tej technologii. Autonomiczne pojazdy powinny drastycznie poprawić bezpieczeństwo na jezdni, lecz kolizje z udziałem skomputeryzowanych samochodów dosłownie potęgują niepokój.

 

Jak wynika z najnowszej ankiety American Automobile Association z udziałem 1008 osób, aż 71% Amerykanów nie akceptuje autonomicznych samochodów. Podobne badanie z zeszłego roku dostarczyło zbliżonego wyniku (73%), natomiast podczas ankiety z 2017 roku, obawy co do samojeżdżących pojazdów wyraziło 63% osób.

 

Wypadki samochodowe zdarzają się każdego dnia na całym świecie. Jednak gdy dochodzi do kraksy z udziałem pojazdu skomputeryzowanego, obawy amerykańskiego społeczeństwa wyraźnie nasilają się. Należy mieć na uwadze, że na terenie Stanów Zjednoczonych, autonomiczne samochody osobowe nie są w pełni gotowe do bezobsługowej jazdy i wciąż poddawane są testom.

 

Najwięksi na świecie producenci samochodów inwestują miliardy dolarów w samojeżdżące pojazdy i będą musieli w przyszłości jakoś przekonać ludzi, że ich rozwiązania są w 100% bezpieczne. W kwestii autonomicznych samochodów, klienci oczekują przede wszystkim bezpieczeństwa.

Nie chodzi tu jednak tylko o zmartwienia producentów. Powstaje bowiem coraz więcej firm, które oferują społeczeństwu transport z udziałem samojeżdżących taksówek. Firmy logistyczne również interesują się autonomizacją, więc kwestia bezpieczeństwa, a raczej obawy o jego brak, to bardziej złożony problem.

 

Dodajmy do tego, że niektóre koncerny lotnicze, takie jak Boeing, planują w dalekiej przyszłości wprowadzić pierwsze autonomiczne samoloty. Czy pasażerowie będą spokojni, mając świadomość, że ich życie na czas lotu będzie zależne wyłącznie od maszyny?

 


Brytyjska policja "zatrudniła" do pomocy sztuczną inteligencję

Siły policyjne w Wielkiej Brytanii korzystają z zaawansowanych algorytmów, które pomagają ustalić, które sprawy kryminalne są możliwe do rozwiązania. Okazuje się jednak, że policja nie chce prowadzić śledztwa w ponad połowie przypadków.

 

Policja w hrabstwie Kent polega na programie komputerowym EBIT (Evidence Based Investigation Tool), który analizuje dane i przewiduje, czy daną sprawę można w ogóle rozwiązać. Algorytmy stosowane są w przypadku bójek i zakłóceń porządku publicznego, ale nie wyklucza się, że EBIT zostanie w przyszłości wykorzystany także do innych, poważniejszych przestępstw.

 

Służby policyjne w Kent otrzymują znacznie więcej zgłoszeń o popełnionych przestępstwach niż kiedyś. Dlatego postanowiono „zatrudnić” program komputerowy, który ocenia sprawę pod kątem możliwości jej rozwiązania.

Po 12 miesiącach użytkowania, algorytmy wyraźnie rozleniwiły funkcjonariuszy. Wcześniej, gdy o kontynuowaniu śledztwa decydował człowiek, policja w Kent zajmowała się około 75% otrzymanych zgłoszeń. Jednak gdy pojawił się program EBIT, policjanci prowadzili śledztwa już tylko w przypadku 40% spraw.

 

Co więcej, Metropolitalna Służba Policyjna zdaje się popierać zastosowanie algorytmów. Ben Linton uważa, że jeśli czegoś nie da się rozwiązać, na co wskazuje program komputerowy, to warto skupić się na innych śledztwach. Niestety brytyjska policja nie bierze pod uwagę tego, że algorytmy nie zawsze mają rację i nie mogą służyć za szklaną kulę. W tym przypadku, wykorzystanie algorytmu wydaje się być fatalnym pomysłem.