V dnešních aktualitách z fyziky se podíváme na nové technologické možnosti chlazení a prozkoumáme motýlí křídla, která inspirují fyziky při vývoji teplotních čidel.
Perpetuum mobile to není, ale energii zvenku nepotřebuje
Svět začíná ovládat hysterie obav o pohodlný život, který zaručují - bohužel jen části lidstva - různé moderní vymoženosti. Ty jsou ale velkým žroutem energie. Když je venku horko, každý touží po ochlazení a většinou zapne klimatizaci. Jenže na příklad v Americe spotřebuje chlazení zhruba 15 % veškeré spotřebované energie.
A tak vzbudil velkou pozornost objev amerických fyziků. Je známo, že každý objekt se může chladit vyzařováním energie ve formě infračerveného záření. Tento proces je normálně velmi slabý, protože objekty jsou zároveň ohřívány infračerveným zářením okolních objektů nebo proudícím teplým vzduchem. Jenže příroda je moudrá. Atmosféra absorbuje a emituje velmi málo infračerveného záření o vlnové délce kolem 8 – 13 mikrometrů. To je totiž „okno“, kterým se Země chladí v noci, zvláště pak za jasné oblohy vysílá záření této vlnové délky do okolního prostoru.
Je zřejmé, že praktické využití tohoto efektu by vyžadovalo materiál, který by měl dvě zdánlivě protichůdné vlastnosti. Musel by vyzařovat v tomto okně a zároveň maximálně odrážet sluneční světlo, aby se nezahříval absorbovaným zářením. Žádný takový materiál nebyl doteď v přírodě objeven.
Fyzici ze Stanfordu ale vymysleli zařízení, které splňuje obě podmínky. Připravili materiál, složený ze sedmi střídajících se vrstev oxidu křemíku, což je v podstatě sklo, a oxidu hafnia. Oba materiály jsou pro viditelné světlo průhledné, vyzařují ale pouze na vlnových délkách kolem 10 mikrometrů. Tyto vrstvy jsou naskládány na stříbrný povrch, který tvoří zrcadlo a odráží viditelné záření. Tloušťky vrstev byly určeny počítačovou simulací tak, aby vyzařování bylo maximální a absorpce slunečního záření minimální. Vrstevnatou strukturu tenčí než dva mikrometry pak umístili na křemíkovou kruhovou podložku o průměru 20 cm a přidali plastikový kryt proti ohřevu proudícím vzduchem. Pak celé zařízení umístili na vrchol střechy ve Stanfordu. Zjistili, že ve slunečný den se jeho teplota snížila o 4 – 5 stupňů pod teplotu okolního vzduchu. Je to první zařízení na světě, které se ochlazuje pod přímým slunečním zářením a nepotřebuje k tomu žádnou vnější energii.
Teď se pochopitelně plánují testy zařízení na větších plochách střech. Budovy by se měly chladit buď přímým kontaktem, nebo ochlazenou vodou, proudící potrubím. Protože oxid hafnia je relativně drahý materiál, bude podle tvůrců nahrazen oxidem titanu. K výrobě zařízení mohou být použity běžné výrobní postupy a v budoucnu by se toto zařízení mohlo kombinovat s klimatizací, napájenou ze slunečních článků. Panely slunečních článků, jsou zpravidla na místech, kam dopadá nejvíce slunečního záření, zatímco nové zařízení pracuje nejlépe na straně odvrácené od slunce.
Kromě toho, že by nové zařízení mohlo chladit budovy, by mohlo sloužit i ke zvýšení účinnosti současných slunečních článků. Jejich účinnost totiž klesá s tím, jak se zahřívají, a udržovat je na nižší teplotě bez dodávání vnější energie by bylo velkým technologickým průlomem. I když fyziky ještě čeká překonání řady problémů, jako je zamračená obloha nebo vodní pára, která do značné míry blokuje atmosférické okno, jedná se o nadějný krok dopředu.
(Zdroj)
Opět jednou grafen, tentokrát jako nejpevnější materiál
Grafen byl objeven v roce 2004 a už v roce 2010 dostali jeho objevitelé Nobelovu cenu. Svědčí to o obrovských nadějích, které tento „zázračný materiál“ sliboval.
Grafen je extrémně dobrý elektrický vodič. Elektrony se v grafenu chovají, jakoby neměly žádnou efektivní hmotnost, a pohybují se rychlostí blízkou rychlosti světla. Funguje i jako polovodič, který je možno použít na výrobu tranzistorů, které by teoreticky mohly pracovat až do frekvence 1 THz. Má i mnoho dalších neuvěřitelných vlastností, ale dnes nás bude zajímat to, že je nejpevnějším materiálem na světě, a to díky 2D hexagonální mřížce uhlíkových atomů, vázaných navzájem kovalentními vazbami.
Fyzici nedávno měřili Youngův modul, což je veličina, která charakterizuje odolnost materiálu proti deformaci, a zjistili, že je prakticky stejný jako u diamantu. I když tyto experimenty přinášejí cenné informace o mechanických vlastnostech materiálu, stejnou metodou se nedá měřit míra deformace, která nastane velmi rychle, a to například při balistických srážkách. Zvlášť obtížné je měřit takovou deformaci na tenkých vrstvách materiálu, jako je právě grafen.
Tým z Rice University přišel nedávno s novou technikou nazvanou „laser induced projectile impact testing“ (LIPIT) a použil ji k testování pevnosti grafenu. LIPIT umožňuje uhlíkovou vrstvu bombardovat mikrometr velkými křemíkovými kuličkami, které se pohybují rychlostí 3 kms-1, a měřit kinetickou energii kuliček před a po protržení bombardované vrstvy. Experiment se prováděl na vrstvách grafenu, které tvořily membránu o tloušťce 10 – 100 nanometrů. Vrstva obsahovala 30 – 300 vrstev grafenu. K vystřelení kuličky použili plyn, vytvořený odpařením zlaté vrstvy silné 50 nanometrů, fokusovaným laserovým paprskem. Expandující plyn pak urychlil kuličky na potřebnou rychlost. Mikroskopickou analýzou místa dopadu zjistili fyzici, že grafen rozptyluje kinetickou energii střely nejprve tak, že se kuželovitě protáhne na straně dopadu, a teprve potom praskne ve směru krystalografických os. Tyto praskliny se šíří směrem ven, daleko za místo dopadu.
Rozborem výsledků se ukázalo, že grafen rozptyluje kinetickou energii dopadajícího předmětu velmi efektivně, dokonce i lépe než ocel. Znamená to, že grafen by byl vhodným materiálem třeba pro výrobu neprůstřelných vest nebo jiných ochranných prvků. Dokonce je perspektivním materiálem pro ochranu satelitů před mikrometeority. Nová mikrobalistická metoda může být užitečná i pro studium mechanických vlastností celé řady jiných nanostrukturních materiálů. Teď se fyzikální tým chystá zkoušet tuto techniku na jiných grafenových systémech, jako jsou grafenové kompozitní materiály a grafen s uměle vytvořenými poruchami, o kterém se předpokládá, že bude méně pevný než grafen s dokonalou krystalografickou mřížkou.
(Zdroj)
A ještě jedno poučení z přírody
Jedním z neinspirativnějších objektů v přírodě jsou pro fyziky křídla různých motýlů. Studium jejich optických vlastností by například mohlo pomoci vyvinout teplotní čidla, která jsou menší a rychlejší než ta stávající, a technologie by mohla pracovat bez drahých a těžkopádných chladicích technologií. Mohla by najít uplatnění v zobrazovací technice, jako je noční vidění a lékařská diagnostika.
Už v roce 2010 objevili belgičtí fyzici něco velmi zvláštního na měňavých skvrnách na křídlech motýla Pieralla Luna. Křídla se zabarvují, protože se šupinky na jejich povrchu chovají jako difrakční mřížka, i když obráceně. V normální difrakční mřížce se záření nejdelších vlnových délek odchyluje nejvíce, takže se zvětšujícím se úhlem pohledu se barvy mění od fialové přes zelenou až k červené. Skvrny na křídlech motýla ale mění barvy v opačném pořadí. Když se díváte rovně, jsou červené, při hodně šikmém úhlu zase fialové. Analýzou struktury křídel fyzici zjistili, že difrakce vzniká na vroubkovaných okrajích šupinek, tyto šupinky se na hranách ohýbají nahoru a vytváří difrakční mřížku, kolmou ke křídlu. Jedná se o velmi sofistikovanou přírodní fotonickou strukturu a její využití je velice nadějné.
Fyzici z Harvardu teď tuto strukturu napodobili. Použili k tomu mikronové křemíkové destičky se zvlněnými okraji a příslušným ohybem. Šupiny na křídlech motýla jsou vzdáleny desítky mikrometrů a jsou rozmístěny nerovnoměrně, takže světlo, odražené různými šupinami, není koherentní. Fyzici ale umístili destičky – šupiny do pravidelných pravoúhlých obrazců. Tato periodicita umožňuje, aby se destičky chovaly jako „hierarchická dvojitá difrakční mřížka“, což je normální difrakční mřížka, v níž je každý difrakční prvek sám o sobě zpětnou difrakční mřížkou. Tyto dvě difrakční mřížky se dají ovládat nezávisle a umožňují tak fyzikům získat více možností pro vytváření kombinovaných difrakčních obrazců. Pohybem destiček blíže nebo dále od sebe se poloha difrakčních proužků z periodických destiček posune, zatímco přes ně přeložené zpětné difrakční obrazce zůstanou nezměněné.Když se destičky ohnou a jejich vzdálenost zůstane nezměněná, změní se naopak úhel dopadu světla na zpětnou difrakční mřížku a situace se obrátí.
A k čemu je to všechno dobré? Technici tyto mřížky inspirované motýlími křídly vyrobili použitím běžných průmyslových postupů a věří, že najdou řadu technologických využití. Nabízí se v první řadě bezpečnostní pásky na bankovkách nebo kreditních kartách, ale i aplikace v oboru řízení světelného výstupu z LED diod nebo fotovoltaických článků.
(Zdroj)
Práce byly převzaty z Nature, listopad 2014, Science, prosinec 2014, British Proceedings of the National Academy of Science, listopad 2014, a Nature Photonics, únor 2012.
Další díly:
Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
„Top
ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I