Změnit infračervené záření na viditelné světlo se fyzici kvůli řadě užitečných praktických aplikací pokoušejí už dlouho. Teď se to podařilo týmu z MIT. V období Vánoc se přece jen častěji díváme na oblohu a otázka, jak to tam vlastně všechno funguje, je tak nějak aktuálnější. A tak přinášíme jeden drobný kamínek do mozaiky našich znalostí. Astrofyzici poprvé experimentálně prokázali existenci magnetického pole v okolí magických černých děr, což je z hlediska teoretického i z hlediska prověřování platnosti Einsteinovy teorie relativity důležitým krokem. A nakonec přeskočíme z vesmíru na naše silnice. Kdy se zbavíme závislosti na ropě?Budeme se přesouvat na elektrický pohon?

Vědcům z MIT se podařilo změnit infračervené záření na viditelné světlo

Vědcům z Massachusetts Institute of Technology se podařilo změnit infračervené záření na viditelné světlo. Zařízení, vyrobené ze dvou nekonvenčních polovodičů, pracuje i při nízkých intenzitách infračerveného záření, a dalo by se využít na příklad v technologii slunečních článků, kamer a přístrojů pro noční vidění.

Tým, který pracuje v Energy Frontier Research Center for Excitonics v MIT vyrobil nový polovodičový film na skleněném povrchu. Struktura filmu se skládá ze dvou vrstev. Spodní vrstva je složena z koloidních kvantových teček. Jsou to částečky sulfidu olova rozměru v řádu nanometrů pokryté molekulární vrstvou mastných kyselin. Horní vrstvu tvoří krystalický film vytvořený ze složitých organických molekul látky, která se nazývá „rubren“.

Proces konverze začíná, když kvantové tečky absorbují přicházející fotony infračerveného záření. Jejich energie se předá okolnímu rubrenovému filmu ve formě párů elektron-díra. Tyto páry se nazývají excitony a jsou to kvazičástice, které vznikají jako vázaný stav elektronu a díry v polovodičích, izolantech a některých kapalinách. Tato kvazičástice přenáší energii a hybnost, nepřenáší však elektrický náboj. Excitony difundují rubrenovým filmem, kde se mohou vzájemně srážet. Když se srazí dva excitony s nízkou energií, vytvoří exciton s vysokou energií, který se nazývá „singlet“. Tento název pochází ze spinové fyziky. Vysokoenergetický singlet může emitovat viditelné světlo, takže proběhne změna vlnové délky (nebo barvy) záření z infračervené na viditelnou. Během procesu „upkonverze“ se zachová určité množství energie a při absorpci dvou infračervených fotonů s nízkou energií se dá očekávat, že každý foton bude generovat foton viditelného světla s vyšší energií.

Na vysvětlení: Proces upkonverze je typem přenosu energie, který může nastat mezi chemicky identickými molekulami nebo ionty. Tento proces se může vyskytnout například tehdy, když molekuly nebo ionty jednoho typu mají elektrony v excitovaných stavech. Upkonverze nastává s přechodem molekuly nebo iontu z excitovaného do základního stavu a současným přechodem identické molekuly nebo iontu z excitovaného stavu do vyššího excitovaného stavu.

Upkonverze infračerveného záření o vlnových délkách větších než jeden mikrometr na viditelné záření byla v minulosti obtížnou úlohou, infračervené záření mělo totiž spíš tendenci se absorbovat a ohřívat materiál, na který dopadalo, než produkovat užitečné excitony. Na MIT tento problém obešli použitím koloidních nanokrystalů citlivých na infračervené záření.

Velkou předností tohoto způsobu je, že může fungovat i při relativně malých intenzitách světla, a to ho předurčuje k řadě různých aplikací. Jsou to na příklad zobrazování biologických objektů, noční vidění, multidimenzionální displeje a fotovoltaika.

Teď je na pořadu dne jednak zvýšení účinnosti přeměny světla zmíněných vlnových délek, ale také snižování prahu intenzity světla, při kterém může proces ještě fungovat. Snahou je také dosáhnout přeměny infračerveného záření až do vlnových délek kolem 1,5 mikrometru.

Pokud se to podaří, bude možno materiál použít při zvyšování výkonu standardních křemíkových kamer. Jde hlavně o zobrazování v mlze. Infračervené záření o kratších vlnových délkách totiž proniká mlhou dále, takže kamera obsahující novou vrstvu by mohla být ideální pro použití v automobilech v každém počasí.

Zviditelnění magnetického pole kolem černé díry v Mléčné dráze

První přímý důkaz existence magnetického pole v blízkosti černé díry provedli astronomové pomocí teleskopu Event Horizon (EHT). Jde o magnetické pole kolem černé díry Sagittarius A* (SgrA*) ve středu naší Mléčné dráhy. I když bylo takové magnetické pole dlouho předvídáno, je to poprvé, kdy bylo přímo detekováno blízko horizontu událostí černé díry. Předpokládá se, že magnetické pole v blízkosti černé díry dodává energii obrovským relativistickým výtryskům hmoty některých černých děr. Všechny větší galaxie totiž mají ve svém nitru supermasivní černou díru. Některé z nich jsou obklopeny obrovskými rotujícími mračny plynu a prachu, vytvářejícími takzvané aktivní galaktické jádro. Z některých vycházejí právě tyto relativistické výtrysky hmoty, které letí vesmírem rychlostí blízkou rychlosti světla a cestou formují celé galaxie.

Astrofyzici se už dlouho pokoušejí porozumět tomu, jak se relativistický výtrysk formuje a kde se bere jeho obrovská energie. Jenže jeho detekování v blízkosti horizontu událostí nebo přímo v něm bylo až donedávna neřešitelnou úlohou. Horizont událostí je hranice, za kterou dokonce ani světlo nemůže uniknout přitažlivé síle černé díry. Event Horizon Teleskope (EHT) je síť radioteleskopů spojených dohromady tak, aby fungovaly jako jeden obrovský teleskop umístěný na zemském povrchu. A teprve toto zařízení umožnilo odhalit tajemství horizontu Sgr A*, černé díry uvnitř naší Mléčné dráhy. Za mohutným závojem plynu a prachu se skrývá černá díra o hmotnosti 4,5 milion násobku hmotnosti Slunce vzdálená 26 000 světelných let od Země.

Teleskop EHT používá radioastronomickou techniku nazývanou „very-long-baseline-interferometry (VLBI – interferometrie s velmi dlouhou základnou) a síť jeho detektorů se rozkládá od Havajských ostrovů až po Španělsko. Je stále ve výstavbě, po dokončení však bude mít rozlišovací schopnost 15 mikroarcsekund, což znamená, že jeho úhlová rozlišovací schopnost umožní rozpoznat pomeranč na povrchu Měsíce!!!

Tým astrofyziků teď použil čtyři velké teleskopy, dva z nich jsou na Havajských ostrovech, třetí v Arizoně a čtvrtý v Kalifornii. Tým sledoval polarizaci přicházejících rádiových vln v různých úhlových a tím i prostorových měřítcích. Orientace polarizace je totiž závislá na orientaci lokálního magnetického pole v blízkosti sledované černé díry.

Každý z teleskopů zaznamenává data, která zachycují pravotočivou a levotočivou kruhovou polarizaci přicházejících rádiových vln. Kruhová polarizace přitom znamená, že konec vektoru elektrického pole opisuje v prostoru kruh a otáčí se buď doleva nebo doprava. Jenže astrofyziky zajímá v první řadě lineárně polarizované světlo, a proto uspěli až teď díky technickým možnostem EHT. A proč lineárně polarizované světlo? Protože záření emitované v blízkosti Sgr A* je záření synchrotronové. Tak se někdy nazývá magnetické brzdné záření a je vysíláno relativistickými elektrony, pohybujícími se v magnetickém poli. Vektor lineárně polarizovaného elektromagnetického záření kmitá stále v jedné přímce. Směr lineární polarizace synchrotronového záření tedy sleduje magnetické pole, a tak by se z měření polarizace na teleskopu mělo dát odvodit uspořádání magnetických polí v bezprostřední blízkosti černé díry.

A je to poprvé, co se to astrofyzikům skutečně podařilo. Měřením složky záření s vysokou polarizací v bezprostřední blízkosti horizontu v porovnání s nízkou polarizací ve vzdálenosti desetkrát větší se prokázalo, že v blízkosti horizontu je magnetické pole uspořádané.

Astrofyzici byli přímo šokováni tím, jak byl signál na nejdelší interferometrické základně silně polarizován. Dramatický rozdíl v polarizaci – pokud ji měříte s větším úhlovým rozlišením – byl skutečně překvapivý. Uspořádané pole je příjemným překvapením pro teorii výtrysků, jelikož se dá předpokládat, že právě uspořádané pole může hrát hlavní roli při vytváření a soustřeďování těchto výtrysků.

Dalším překvapením pro astrofyziky bylo, jak je polarizace aktivní a jak se mění i v rozsahu pouhých dní. Jeden den polarizace sledovala čistou smyčku během dvouapůlhodinového pozorování, pravděpodobně to bylo způsobeno obíháním materiálu velmi blízko horizontu událostí. Objevovaly se i fluktuace v intenzitě a směru lineární polarizace trvající přibližně 15 minut, které ukazovaly na mimořádnou dynamiku uvnitř černé díry. A skutečně, nejvnitřnější oběžná dráha v blízkosti naší černé díry má periodu kolem 30 minut, takže fluktuace vznikají nejpravděpodobněji působením turbulentních polí v nejvnitřnějším akrečním disku. Podle účastníků výzkumu je totiž nepravděpodobné, že by jakýkoliv materiál spadl do černé díry bez turbulencí. Takže toto první přímé pozorování turbulencí podporuje akreční teorii.

Jakmile bude soustava teleskopů tvořících EHT úplně dokončena, budou astrofyzici studovat magnetické pole opakovaně a budou se snažit porozumět tomu, co řídí akreci v blízkosti černé díry (akrece je proces, během kterého dochází ke zvětšování objemu vlivem připojování vnějších částic k vlastnímu tělesu) a co uděluje energii pozorovaným výtryskům. Naše Sgr A* nemá výtrysk nepřetržitě, a tak je dalším kandidátem pro toto studium supermasivní černá díra uprostřed galaxie M87.

Výsledky těchto experimentů znamenají, že jsme zase o krok blíž k pochopení a nakonec i k odstranění nejasností, které komplikují nadcházející ověřování přesnosti Einsteinovy obecné teorie relativity v prostředí se silnou gravitací.

Naučíme se spolehlivě skladovat elektřinu?

Nové baterie s tekutým elektrolytem (redox-flow) by mohly být velmi užitečné pro bezpečné skladování přebytečné energie v elektrických rozvodných sítích. Jejich využívání je zatím ale velice sporadické kvůli daleko menší kapacitě, než mají konvenční lithium-iontové baterie. Teď ale fyzici ze Singapuru vyvinuli nový typ redox-flow baterií s daleko vyšší kapacitou.

Čím více elektrické energie se produkuje z obnovitelných zdrojů, tím naléhavěji tlačí na dodavatele potřeba tuto energii skladovat. Jednou z možností je ukládání energie v bateriích, které se mohou opakovaně nabíjet (akumulátory). Dnes existují různé technologie, hlavně pak olověné baterie plněné kyselinou a modernější lithium-iontové baterie. Jenže olověné baterie mají malou kapacitu a lithium-iontové baterie jsou náchylné k přehřátí, takže se nemohou používat ve větším měřítku.

Redox-flow baterie používají kapalný elektrolyt, který je uložen ve dvou separovaných nádobách. Během nabíjení nebo vybíjení jedna kapalina cirkuluje kolem anody baterie a druhá kolem její katody, které jsou navzájem odděleny polopropustnou membránou. Takové baterie jsou méně náchylné k přehřátí a ke vznícení, protože energie se skladuje v tancích, které mohou být izolovány od místa, kde se generuje elektrochemická energie.

Je to podobné jako ve spalovacím motoru, kde je nádrž na benzín, který se vhání do motoru, kde se produkuje energie. Nejprobádanější typy takových baterií používají vanadium, které se skladuje a dopravuje ve vodném roztoku. To ale bohužel velmi podstatně omezuje kapacitu baterie, protože vanadium je špatně rozpustné ve vodě.

Fyzici ze Singapuru teď ale vyvinuli nový typ „redox-flow“ baterií, ve kterých katodový tank obsahuje granule fosfátu lithia a železa a anodový tank obsahuje granule kysličníku titaničitého. Když se baterie nabíjí, jsou redoxové mediátory rozpuštěné v elektrolytu pumpovány oběma tanky. Působením přiloženého napětí jeden z redoxových mediátorů oxiduje lithium v tanku a transportuje lithiové ionty do reakční nádoby. Tato nádoba je rozdělena částečně propustnou membránou, která umožňuje projít lithiovým iontům, ale zadržuje redoxové mediátory. V anodové části reakční nádoby se jiné redoxové mediátory slučují s lithiovými ionty. Ty jsou následně pumpovány skrze kysličník titaničitý, kde jsou lithiové ionty redukovány zpět na kovové lithium, které proniká do kysličníku titaničitého.

Když se baterie vybíjí, reakce probíhá opačně a lithium se vrací ke katodě. Protože je lithium ukládáno v pevném stavu v nabité i vybité baterii, hustota energie nových baterií je kolem 500Wh/l. To je nejméně desetkrát víc než u vanadiových baterií.

Fyzici teď optimalizují nové baterie vylepšováním účinnosti membrán, které by měly ideálně propouštět aktivní prvky a zadržovat mediátory. Zkouší se různé typy polymerů, ale pro používání v síťových rozvodech nejsou vlastnosti těchto membrán ještě ideální.

Další zajímavou možností skladování elektrické energie jsou superkondenzátory. Mají oproti bateriím několik výhod, dají se velmi rychle nabíjet a vybíjet a mají prakticky neomezenou životnost. Jenže mají malou kapacitu. Se zajímavým řešením tohoto problému přišli australští vědci. Vytvořili nový superkondenzátor, ve kterém vhodně zkombinovali grafen a vodu. Zázračný materiál grafen je, jak už je notoricky známo, vrstva grafitu o tloušťce jediného atomu. Má velice pozoruhodné vlastnosti. Je to dosud nejpevnější známý materiál, má úžasnou elektrickou vodivost, protože elektrony se v něm pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, je chemicky stálý a tak bychom mohli pokračovat ve výčtu jeho „zázračných“ vlastností. Jenže vzhledem ke své minimální tloušťce mají listy grafenu tendenci spojovat se, a to je pro konstrukci kondenzátorů velmi omezující. A tak australští fyzici přišli na to, jak držet listy od sebe. Pomohla obyčejná voda. Pokud je grafen v mokrém prostředí ve formě gelu, drží odpudivé síly listy grafenu od sebe. Takže vznikl nový nanomateriál s úžasnými vlastnostmi. Výhoda je, že technika může být snadno upravena pro průmyslovou výrobu. Takže budeme jezdit na grafen?

Výzkum je zatím jen krůčkem k možnosti vymanit se ze závislosti na naftových produktech. Ale k většině takových velkých cílů vede cesta po malých stupních, z nichž každý je namáhavý, ale na vrcholu je krásně!

Původní materiály byly uveřejněny ve Physics World, Science, Science Advanced a Nature Photonics.

Další díly:

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Zobrazení naší galaxie Mléčné dráhy (NASA/Adler/U. Chicago/Wesleyan/JPL-Caltech)

Aktuality z fyziky XXV

Vědcům z MIT se podařilo změnit infračervené záření na viditelné světlo

Zviditelnění magnetického pole kolem černé díry v Mléčné dráze

Naučíme se spolehlivě skladovat elektřinu?