Lipiec 2019

Naukowcy przekształcili dwutlenek węgla w grafen

Dwutlenek węgla zwykle postrzegany jest jako gaz cieplarniany, a naukowcy opracowują metody pozyskiwania go z atmosfery celem jego składowania w podziemnych magazynach. Jednak dwutlenek węgla można też wykorzystać do produkcji pewnych materiałów. Zespół z Instytutu Technologii w Karlsruhe zademonstrował proces, który pozwala przekształcić ten gaz w grafen.

 

Obecnie posiadamy do swojej dyspozycji różne metody wytwarzania grafenu. Ten rewolucyjny materiał można wykonać np. z oleju sojowego, drewna, a nawet z liści eukaliptusa. Jednak najczęściej stosowana metoda produkcji grafenu to tzw. chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). Polega ona na wprowadzaniu do komory reakcyjnej gazowych substratów, a umieszczona w niej cienka warstwa materiału działa jako katalizator i substrat. Gaz w tej komorze wchodzi w reakcję chemiczną z materiałem i wytwarza na jego powierzchni cienką warstwę grafenu.

Naukowcy z Instytutu Technologii w Karlsruhe opracowali niemal identyczną metodę, która jednak polega na wprowadzeniu do komory dwutlenku węgla wraz z wodorem, a katalizatorem i substratem jest cienka płytka, wykonana z miedzi i palladu. Grafen powstaje przy wysokiej temperaturze 1000 stopni Celsjusza i ciśnieniu atmosferycznemu.

Źródło: Instytut Technologii w Karlsruhe

Jeśli płytka zawiera odpowiednie proporcje miedzi i palladu, grafen powstaje w prostym i jednoetapowym procesie. Opracowana metoda pozwala produkować wiele warstw grafenu jednocześnie. Okazuje się więc, że dwutlenek węgla może posłużyć do masowej produkcji „cudownego materiału”. W ramach kolejnego etapu badań, naukowcy będą chcieli wykorzystać wykonany w ten sposób grafen do produkcji komponentów elektronicznych.

 


Nowa metoda pozwala znacząco zwiększyć wydajność krzemowych paneli słonecznych

Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne posiadają wyznaczoną absolutną granicę wydajności konwersji światła słonecznego w energię elektryczną, ponieważ każdy foton może wytrącić tylko jeden elektron. Jednak naukowcy opracowali i zademonstrowali nową metodę, która pozwala uzyskiwać wysokoenergetyczne fotony, zdolne wytrącać po dwa elektrony, co z kolei przekłada się na zwiększenie maksymalnej wydajności ogniw.

 

Maksymalna teoretyczna wydajność konwencjonalnych paneli słonecznych wynosi około 29,1%. Naukowcy z Instytutu Technologicznego Massachusetts oraz inne zespoły badawcze na przestrzeni ostatnich lat pracowały nad metodą, która pozwala przekroczyć tę granicę o kilka punktów procentowych.

 

Wstępna demonstracja tej metody zakończyła się powodzeniem, lecz dokonano jej na organicznych ogniwach fotowoltaicznych, które są znacznie mniej wydajne od jej krzemowych odpowiedników. Zastosowanie jej na konwencjonalnych ogniwach słonecznych wymagało wielu lat ciężkiej pracy.

 

Rozdzielenie energii jednego fotonu na dwa elektrony było możliwe dzięki zastosowaniu klasy materiałów, które posiadają stany wzbudzone, zwane ekscytonami. Można je wykorzystać do zmiany energii „przecinając ją” lub łączyć mniejsze części energii w całość. Proces ten pozwala zatem podzielić fotony na dwie niezależnie poruszające się wiązki energii.

Naukowcy mieli jednak problem z połączeniem tej energii z krzemem, który nie jest materiałem ekscytonowym. Dlatego próbowano połączyć energię z warstwy ekscytonowej z kropkami kwantowymi. Okazało się, że dla transferów energii istotna jest chemia powierzchni materiału, a nie jego objętość.

 

Dodanie cienkiej warstwy pośredniej, wykonanej z tlenkoazotku hafnu, pomiędzy krzemowym ogniwem słonecznym a warstwą naftacenu o właściwościach ekscytonowych rozwiązało problem. Dzięki niej, pojedyncze wysokoenergetyczne fotony mogły uwalniać dwa elektrony wewnątrz krzemowego ogniwa. Proces ten pozwolił zwiększyć maksymalną teoretyczną wydajność krzemowych paneli fotowoltaicznych z 29,1% do nawet 35%.

 

Naukowcy wykazali, że połączenie dwóch materiałów dla zwiększenia wydajności jest możliwe. Jednak teraz, badacze muszą jeszcze skupić się na optymalizacji ogniw krzemowych i zwiększeniu trwałości zastosowanych materiałów. Nowe panele słoneczne mogą być również cieńsze od dostępnych obecnie wersji. Innowacja znajdzie komercyjne zastosowanie w ciągu kilku lat.

 


Chiny planują zbudować własny Wielki Zderzacz Hadronów

Chiny zamierzają zbudować własny zderzacz elektronowo-pozytonowy długości 100 km, który przyćmi europejski obiekt. Olbrzymi podziemny zderzacz jest przeznaczony do zderzania protonów z prędkością bliską prędkości światła i rozbijania ich razem w celu masowej produkcji bozonów Higgsa, które następnie posłużą do badań.

Bozon Higgsa, zwany także „cząstką Boga”, jest ostateczną granicą fizyki cząstek elementarnych. Znaczenie cząstki elementarnej polega na tym, że można ją zbadać przy użyciu istniejącej wiedzy i technologii eksperymentalnej jako środka do potwierdzenia i zbadania całej teorii pola Higgsa.

 

Różne cząstki subatomowe są odpowiedzialne za nadawanie materii różnych właściwości. Jedną z najbardziej tajemniczych i ważnych właściwości jest masa: niektóre cząstki, takie jak protony i neutrony, mają masę, podczas gdy inne, jak fotony, nie. Uważa się, że bozon Higgsa jest cząstką, która nadaje masę materii.

Nieuchwytne „cząstki Boga” zostały po raz pierwszy zauważone w 2012 r. Cząstki otrzymano za pomocą zderzeń atomów, które miały miejsce wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów, znajdującego się 175 metrów pod francusko-szwajcarską granicą w pobliżu Genewy. Zderzacz to tunel kołowy o długości 27 kilometrów, co czyni go największym tego typu obiektem na świecie. Jego obsługą zajmuje się  Organizacja Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN).

 

Teraz Chiny zamierzają zbudować następną generację Wielkiego Zderzacza Hadronów o długości 100 km, który przyćmi europejski obiekt. Olbrzymi podziemny zderzacz jest przeznaczony do wyrzucania protonów z prędkością bliską prędkości światła i rozbijania ich razem w celu masowej produkcji bozonów Higgsa.

Chińska propozycja finansowania została przedłożona rządowi centralnemu w listopadzie, po tym jak Beijing Institute of High Energy Physics sfinalizował szczegółowy projekt zderzacza. Pierwszy komponent ma zostać zainstalowany od 2022 roku. Do tej pory zaproponowano kilka miejsc do budowy zderzacza, w tym Qinhuangdao w prowincji Hebei niedaleko Pekinu, Yan’an w prowincji Shaanxi i Shanwei w południowej prowincji Guangdong.

 

Reszta świata nie pozostaje bierna w swoich działaniach. Japonia planuje zbudować własny zderzacz po zapoznaniu się z planem Chin, choć kontrowersje budzi fakt, że proponowana lokalizacja znajduje się w strefie aktywnej sejsmicznie. Oprócz tego, CERN opracowuje plany dwóch nowych zderzaczy cząstek.

 

 


Sztuczna inteligencja stworzyła kompleksową symulację Wszechświata, a naukowcy nie rozumieją zasady jej działania

Astrofizycy po raz pierwszy wykorzystali możliwości, jakie oferuje sztuczna inteligencja do wygenerowania złożonej trójwymiarowej symulacji Wszechświata. Okazało się, że algorytm stworzył tak dokładną symulację, że naukowcy nie potrafią do końca zrozumieć jej działania.

 

Symulacje komputerowe mają istotne znaczenie dla astrofizyki teoretycznej. Dzięki nim, badacze mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób kosmos mógłby ewoluować w różnych scenariuszach, gdyby np. ciemna energia zmieniała się w czasie.

 

Najbardziej dokładne symulacje obliczają, w jaki sposób grawitacja przesuwa każdą z miliardów pojedynczych cząstek na przestrzeni całego istnienia Wszechświata. Taki poziom dokładności wymaga jednak czasu – na wykonanie jednej symulacji potrzeba około 300 godzin obliczeniowych. Szybsze metody pozwalają ukończyć te same symulacje już w ciągu około dwóch minut, lecz odbywa się to kosztem mniejszej dokładności.

 

Zespół pod kierownictwem Siyu He z Instytutu Flatiron skorzystał z modelu Deep Density Displacement Model (D3M). Naukowcy udoskonalili głęboką sieć neuronową, o którą opiera się model D3M, dostarczając jej 8 tysięcy różnych symulacji z modelu komputerowego, cechującego się najwyższą dokładnością. Sieci neuronowe pobierają dane do treningu i przeprowadzają obliczenia na podstawie dostępnych informacji. Następnie naukowcy porównują wynik końcowy z oczekiwanym wynikiem. Dalsze szkolenie powoduje, że sieci neuronowe z czasem dostosowują się do szybszego uzyskiwania precyzyjniejszych wyników.

Po przeszkoleniu modelu D3M, naukowcy wykorzystali go do symulacji Wszechświata o szerokości 600 milionów lat świetlnych, a następnie porównali rezultaty z wynikami, które wygenerowały powolne i szybkie modele. Powolne i dokładne podejście potrzebowało setek godzin na wykonanie symulacji, natomiast szybka metoda przyniosła efekty już w ciągu kilku minut. Tymczasem wyniki dostarczone przez model D3M, oparty o sztuczną inteligencję, przerosły wszelkie oczekiwania.

 

Naukowcy z zaskoczeniem odkryli, że model D3M ukończył symulację w zaledwie 30 milisekund przy błędzie względnym na poziomie 2,8%. Dla porównania, szybki model, który potrzebował kilku minut na wykonanie symulacji Wszechświata, uzyskał błąd względny na poziomie aż 9,3%. Jednak największym zaskoczeniem był fakt, że model D3M potrafił dokładnie symulować wygląd Wszechświata w sytuacji, gdy jego niektóre parametry uległy zmianie, choć algorytm nie został nawet do tego wyszkolony.

 

Dlatego naukowcy sami przyznają, że nie rozumieją do końca zasady działania kompleksowej symulacji Wszechświata, jaką wykonał model D3M. Wiadomo jednak, że sztuczna inteligencja może okazać się niezwykle przydatna w astrofizyce teoretycznej i z pewnością wyniesie badania na jeszcze wyższy poziom.

 


Internet dosłownie zmienia strukturę i funkcjonowanie naszego mózgu

Wszystkie czynności, jakie człowiek wykonuje w całym swoim życiu, wpływają na funkcjonowanie jego mózgu, a zmiany te przekazywane są następnym pokoleniom. Liczenie w pamięci, nauka języków obcych czy orientacji w terenie korzystnie wpływają na rozwój mózgu. Jednak w dzisiejszych czasach, ludzie dla własnej wygody, a często również z lenistwa, wolą korzystać z elektroniki. Internet, który jest dziś niemal wszechobecny, zastępuje biblioteki i prasę papierową, a nawet tradycyjną komunikację międzyludzką. W jaki sposób może to wpływać na strukturę i funkcjonowanie mózgu?

 

Międzynarodowy zespół naukowców dokonał przeglądu wielu badań, podczas których obrazowano mózgi ochotników. W ten sposób próbowano ocenić, w jaki sposób korzystanie z internetu może wpływać na ludzkie mózgi. Choć wyniki tej analizy nie mogą być traktowane jako rozstrzygające, przeprowadzone studia sugerują, że życie z internetem zmienia obszary mózgu, związane z koncentracją, pamięcią i umiejętnościami społecznymi.

 

Jedno z badań wykazało, że ludzie, którzy kompulsywnie sprawdzają wiadomości i inne powiadomienia na swoich telefonach, mają zmniejszoną objętość istoty szarej w niektórych obszarach kory przedczołowej. Region ten odpowiada między innymi za koncentrację i skupianie uwagi. Oznacza to, że osoby te zwykle gorzej wykonują zadania wymagające koncentracji.

 

Wraz z powstaniem przeglądarek internetowych zaczęły pojawiać się spekulacje, że ludzie będą zbyt mocno polegać na internecie jako źródle informacji, tym samym ograniczając pojemność swojej pamięci wewnętrznej. Przeprowadzone badania wykazały, że ludziom faktycznie trudniej jest przypomnieć sobie informacje, które znaleźli w internecie, w porównaniu do encyklopedii. Skany mózgu wykazały, że efekt ten był skorelowany ze zmniejszoną aktywnością w strumieniu brzusznym – systemie odpowiadającym za pobieranie danych z pamięci - podczas zbierania informacji w internecie. Sugeruje to, że uczenie się z internetu nie aktywuje w wystarczającym stopniu kluczowych obszarów mózgu, wymaganych do przechowywania pamięci długoterminowej.

Portale społecznościowe również znacząco wpływają na nasze mózgi. Jedno z przeanalizowanych badań wykazało, że ilość znajomych, jaką dana osoba posiada na Facebooku, określa objętość istoty szarej w prawej korze śródwęchowej, która związana jest z możliwością kojarzenia imion oraz twarzy. Efekt ten może być spowodowany faktem, że media społecznościowe zachęcają ludzi do utrzymywania dużych ilości słabych powiązań społecznych. Jeszcze przed pojawieniem się portali społecznościowych, ludzie mieli tendencję do zgłębiania relacji z mniejszą ilością osób, co wymagało różnych adaptacji w regionach społecznych mózgu.

 

Wyniki badań nie są zbyt szczegółowe i nie mogą być postrzegane jako rozstrzygające. Zatem wciąż tak naprawdę nie wiemy, czy internet ma dobry, czy może zły wpływ na rozwój naszego mózgu. Internet z całą pewnością w jakimś stopniu oddziałuje na funkcjonowanie mózgu, a zachowanie umiaru może uchronić nas przed negatywnymi konsekwencjami korzystania z sieci.