Jan. 31st, 2014

Как улучшить натрий-ионные аккумуляторы

Американские исследователи предложили новую технологию изготовления электродов на основе гибкого материала, состоящего из слоя дисульфида молибдена и покрывающих его графеновых нанолистов.

Натрий-ионные аккумуляторы в будущем могут стать альтернативой широко распространённым сегодня литий-ионным батареям: источники питания нового типа обеспечат значительно бóльшую ёмкость — а значит, и увеличенное время автономной работы потребителей.

Увы, сегодня эта технология требует доработок, несмотря на заметный прогресс. Дело в том, что диаметр иона натрия равен 1,02 Å, а иона лития — 0,59 Å. Поскольку в процессе зарядки-разрядки ионы должны входить и выходить из удерживающих их структур аккумулятора, более крупные ионы провоцируют быструю деградацию батарей.

Об очередных достижениях в создании натрий-ионных элементов отрапортовали исследователи из Университета штата Канзас (США).

Структура нового композитного материала (здесь и ниже изображения Университета штата Канзас).

Доцент кафедры машиностроения и ядерной техники Гарприт Сингх (Gurpreet Singh) впервые показал, что особый композитный материал может служить одновременно эффективным хранилищем атомов натрия и гибким токоприёмником. Разработка представляет собой «бутерброд» из слоя дисульфида молибдена, сверху и снизу которого расположены графеновые нанолисты. Такая «композитная бумага» может играть роль отрицательного электрода в натрий-ионных аккумуляторах.

Обычно катоды в натрий-ионных батареях используют материалы, которые вступают в реакцию «сплавления» с натрием. В результате при зарядке и разрядке их толщина способна возрастать на 400–500%, что может стать причиной механического повреждения элемента и потери электрического контакта.

Дисульфид молибдена ведёт себя в натрий-ионных аккумуляторах иначе: многослойная и пористая структура обеспечивает эффективные диффузные каналы для ионов натрия во время быстрого накопления и отдачи заряда ячейками. Кроме того, отпадает необходимость в использовании полимерного связующего вещества и медной фольги, которые являются частью традиционных электродов. При этом электроды нового типа дают стабильную зарядную ёмкость в 230 мА•ч/г.

В ходе исследований команда г-на Сингха сформировала листы «композитной бумаги» довольно большой площади, состоящие из обработанного кислотой слоя дисульфида молибдена и химически модернизированных слоёв графена. При этом впервые удалось продемонстрировать работоспособность электродов на основе этого материала при комнатных температурах.

Предполагается, что в перспективе достижение приведёт к разработке эффективной технологии производства недорогих натрий-ионных батарей высокой ёмкости. Исследователи уже ведут переговоры о коммерциализации методики.

Результаты работы опубликованы в журнале ACS-NANO.

Подготовлено по материалам Университета штата Канзас.
Владимир Парамонов

Найдены «предки» ранних компактных эллиптических галактик

Астрономы, использовавшие наземные и космические телескопы, создали общую картину эволюции загадочных галактик-тяжеловесов ранней Вселенной — исключительно массивных эллиптических структур, сам факт существования которых долгое время приводил учёных в некоторое недоумение.

Хотя Вселенная образовалась 13,8 млрд лет назад, уже через три миллиарда лет в ней были компактные галактики эллиптической формы с огромным количеством звёзд и большой видимой массой.

«Всё это было загадкой на протяжении многих лет, потому что всего через три миллиарда лет после Большого взрыва мы могли видеть половину самых массивных галактик уже закончившими звездообразование», — говорит Суне Тофт (Sune Toft) из Института Нильса Бора (Дания), ведущий автор новой работы.

Слева — Млечный Путь, справа — компактная массивная «мёртвая» галактика, плотность звёзд в которой в десятки раз выше. Светил в той и другой примерно одинаково, но вот размеры у них разные, да и возраст различается на десяток миллиардов лет. (Иллюстрация NASA, ESA, S. Toft, A. Feild.)

Поясним: традиционный взгляд на эволюцию галактик предполагает, что после возникновения они должны были расти постепенно, как наш Млечный Путь, периодически сталкиваясь и набирая габариты и массу. Компактные эллиптические галактики, ставшие массивными уже в эпоху, когда Млечный Путь и прочие его спиральные коллеги только формировались, явно выбивались из этого ряда, и никто не знал, почему. Что ещё более странно, звёзды там были намного ближе друг к другу, чем в эллиптических галактиках сегодняшней Вселенной, то есть расположены в 10–100 раз плотнее. Такие цифры характерны для шаровых скоплений, а не для галактик.

Проведя наблюдения самых ранних из известных галактик, в течение 1–2 млрд лет «предшествовавших» древним компактным эллиптическим «тяжеловесам», г-н Тофт сравнил затем между собой характеристики этих двух групп.

Ранние галактики были богаты пылью и газом и очень быстро образовывали звёзды: по расчётам, вспышка звездообразования в них, исходя из наблюдаемых запасов газа, не могла продолжаться более 40 млн лет.

Между тем черты более поздних эллиптических галактик оказались удивительно схожи с этими ранними быстро развивающимися объектами — за вычетом того, что звездообразование в них уже не шло, но масса и размеры были много больше.

Что особенно важно, быстро развивающиеся галактики первых двух миллиардов лет после Большого взрыва имели толстую «оболочку» из пыли, которая позволяет наблюдать их в ИК-диапазоне и препятствует утеканию газа, разогреваемого звездообразованием. В результате плотность газа там резко растёт, и звёзды создаются очень быстро в очень небольших областях, в то время как в других галактиках, вроде нашей, газ «выталкивается» звездообразованием на периферию и в гало, где не может участвовать в рождении светил.

Однако затем, всего через несколько десятков миллионов лет, галактики с пылевым одеялом уже не способны к производству новых звёзд, так как газ в них истощился. И они не могут притянуть ранее выброшенные газовые облака из галактического гало — просто потому, что в своё время ничего туда не выбрасывали.

Эволюция эллиптических галактик от ранней Вселенной до наших дней.

По мнению авторов работы, столь разный ход галактической эволюции привёл к наблюдаемому сегодня, 10 млрд лет спустя, разнообразию галактик во Вселенной, где спиральные, всё ещё генерирующие новые звёзды структуры соседствуют с уже миллиарды лет «мёртвыми» эллиптическими галактиками, основным типом населения которых являются древние долгоживущие красные карлики.

Отчёт об исследовании опубликован в Astrophysical Journal, а его препринт доступен на сайте arXiv.

Подготовлено по материалам Института Нильса Бора.
Александр Березин

В Висконсине электроэнергию вырабатывают с помощью сыра

Штат Висконсин является крупнейшим производителем сыра в США. Такое производство, разумеется, подразумевает выброс отходов. Но это вовсе не так плохо, как может показаться: вода, оставшаяся после него, используется для выработки электроэнергии (а рассол — для того чтобы растапливать лёд на дорогах).

Сыр

Вода, применяемая для смывания сыворотки и молока с оборудования фабрики, полна питательных веществ. Традиционно её использовали на близлежащих фермах в качестве удобрения, однако это вызывало цветение водорослей в окрестных водоёмах (вода была богата фосфором и азотом). Теперь, вместо того чтобы скармливать эту воду вредным водорослям, ею питают микробов, производящих энергию и возвращающих её в электросеть.

В распоряжении компании GreenWhey Energy находится резервуар объёмом 15 млн литров, полный микробов и сточных вод. Он введён в эксплуатацию в августе прошлого года и в данный момент работает на половине своих возможностей. Система способна перерабатывать 1,9 млн литров воды в день, вырабатывая метан, с помощью сжигания которого получается электроэнергия для 3 тысяч домов.

Но это ещё не всё: помимо метана, от сточных вод остаётся тепло и слизь. Тепло отводится на маслобойни, а слизь сушится и служит в качестве удобрения, которое намного удобнее перевозить, чем сточные воды.

Михаил Карпов

Впервые удалось симулировать магнитный монополь

Поведение так и не открытой элементарной частицы может быть частично симулировано в лабораторных условиях с помощью конденсата Бозе — Эйнштейна.

Физики из Амхерстского колледжа (США) и Университета Аалто (Финляндия) смогли создать и заснять в лаборатории синтетические магнитные монополи — частицы, существование которых было предсказано Полем Дираком в 1931 году, но которые до сих пор упорно избегают регистрации в природе.

Магнитный монополь в представлении художника (иллюстрация Heikka Valja).

У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный), то есть он располагает магнитным диполем. Но сколько ни разрезай его надвое, отдельно южный и отдельно северный полюса вы не получите: просто у вас будут два меньших диполя. В то же время и положительный, и отрицательный электрические заряды вполне могут существовать отдельно. Но как получить монополь — изолированный однополярный магнит?

Вопрос далеко не праздный, ибо, скажем, закон Гаусса для магнитного поля вообще не будет работать, если магнитные монополи существуют, да и столь важное для современной физики предположение о том, что электрические заряды всех частиц представляют собой дискретные величины, получит прямое подтверждение. В общем, по значимости открытие монополя станет чем-то вроде открытия электрона.

Спустя 83 года после того, как знаменитый физик-теоретик Поль Дирак предсказал возможность существования монополей, международная команда ученых во главе с профессором физики Дэвидом С. Холлом и доцентом Микко Мотонненом создала и сфотографировала синтетические магнитные монополи.

Учёные попробовали воспроизвести систему с признаками монополя в облачке из примерно миллиона ультрахолодных рубидиевых атомов, «замороженных» до стомиллиардной кельвина. В таком состоянии они теряют поведение, свойственное индивидуальным частицам, и становятся частью коллективного квантового состояние материи — конденсата Бозе — Эйнштейна.

Опыт был аналогичен умственному эксперименту Дирака от 1931 года: конденсат Бозе — Эйнштейна соответствовал единичному электрону, и плотность атомов в каждой точке соответствовала вероятности существования электрона в данном регионе пространства. Атомы конденсата имеют магнитный спин, который условно можно назвать квантовым эквивалентом крохотной иглы компаса. Такой спин реагирует на приложение внешнего магнитного поля. Но в эксперименте спины выступали не как часть магнитного поля вокруг монополя; поле же было представлено свойством, характеризующим пространственное упорядочивание этих спинов, — их вихреобразованием.

Секция облачка (верхний ряд) с тёмным пятном, «растекающимся» от центра, — признак наблюдения синтетического дираковского монополя. Внизу для сравнения показана компьютерная симуляция процесса. (Иллюстрация D. S. Hall et al.)

Это достижение открывает изумительные перспективы для квантовых исследований, полагают учёные, и не только в смысле подтверждения умственного эксперимента Дирака.

«С созданием синтетического магнитного монополя мы получим непревзойдённую глубину проникновения в свойства природного монополя, если только он и впрямь существует», — говорит Дэвид Холл (David Hall), возглавлявший экспериментаторов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.
Подготовлено по материалам Nature News.

Как антиоксиданты помогают раку

Стимулирующее влияние антиоксидантов на злокачественную опухоль связано с тем, что они уменьшают в ней и без того низкий уровень активных форм кислорода, из-за чего в клетках новообразования окончательно выключается белок р53, который мог бы остановить их непрекращающееся деление.

Антиоксиданты помогают клетке справиться с окислительным стрессом, который возникает из-за накопления кислородных радикалов. Эти агрессивные молекулы-окислители легко повреждают ДНК, что может привести к появлению мутаций, в том числе онкогенных. Поэтому логично было бы предположить, что если мы защитим ДНК от радикалов-окислителей, то тем самым предотвратим развитие злокачественного заболевания.

Однако раковые клетки тоже подвержены окислительному стрессу, и для них это тоже неприятность. Активные формы кислорода могут довести ДНК до такой степени, что клетке останется лишь умереть. Но если раковые клетки тоже хотели бы избежать окислительного стресса, то получается, что антиоксиданты играют им на руку? Особенно если при лечении используют лекарства, стимулирующие такой стресс в опухоли?

Клетки лёгочного рака только обрадуются порции антиоксидантов. (Фото Electron Microscopy Unit, Cancer.)

Именно об этом Джеймс Уотсон писал в своей статье, появившейся почти год назад. Текст вызвал большой шум, и в течение 2013-го мы на него не раз ссылались, когда речь заходила об антиоксидантах. Обвинение антиоксидантов в пособничестве раку не было лишь теоретическим умствованием г-на Уотсона. Пользу от антиоксидантов неоднократно пытались проверить в клинических исследованиях и в экспериментах на животных, но всякий раз результаты получались весьма двусмысленными. Наконец, в 1994 году было предпринято масштабное исследование, в котором участвовали более 29 000 курильщиков-мужчин — и оказалось, что рак чаще случался у тех, кто принимал антиоксидантные бета-каротиновые таблетки.

Затем последовали другие работы, в которых похожие результаты были получены для иных видов рака и для других антиоксидантов. В 2012 году в Кокрановском Сотрудничестве попробовали суммировать всю накопившуюся на этот счёт информацию и пришли в итоге к выводу, что антиоксиданты действительно могут загнать вас в могилу раньше срока, причём независимо от того, болеете ли вы чем-то хроническим или же абсолютно здоровы. (И, кстати, в прошлом году этот вывод повторился в ещё одном исследовании, изучавшем связь между антиоксидантами и продолжительностью жизни.)

Однако какие именно механизмы тут работают, оставалось не вполне понятным, большая часть исследований на эту тему были корреляционно-статистическими, глубоко в биохимию и молекулярную биологию не заглядывающими. Поэтому не стоит удивляться, что статья специалистов из Гётеборгского университета (Швеция) попала в такой солидный журнал, как Science Translational Medicine. В своей работе Мартин Бергё (Martin Bergö) и его коллеги не просто указывают на однозначную связь между антиоксидантами и ростом опухоли, но и называют белок р53 наиболее вероятным посредником между тем и другим.

Исследователи изучали рак лёгких на мышах, предрасположенных к нему. И в какой-то момент решили поддержать животных антиоксидантом N-ацетилцистеином (NAC), который также широко известен как муколитическое средство. Однако опухоль, вместо того чтобы затормозить в росте, стала заметно увеличиваться. Тогда учёные накормили раковых мышей витамином Е, ещё одним известным антиоксидантом, и получили тот же результат: опухоль росла в три раза активнее, а мыши умирали в два раза быстрее. Дозы антиоксидантов, которые получали животные, в 5–50 раз превышали их обычную суточную норму, однако тут стоить сказать, что в наших с вами витаминных таблетках и пищевых добавках количество того же витамина Е превосходит суточную норму от 4 до 20 раз. Так что по количеству поглощаемых антиоксидантов нас вполне можно сравнить с лабораторными мышами.

И N-ацетилцистеин, и витамин Е усиливали рост человеческих раковых клеток в культуре (в этом случае также использовали рак лёгких). И у мышей, и в культуре клеток оба вещества защищали клеточную ДНК от повреждений, уменьшая количество кислородных радикалов. В раковых клетках, по словам исследователей, этих радикалов и так меньше, чем в здоровых, а тут ещё антиоксиданты снижают их уровень... И тут на сцену выходит знаменитый р53 — хотя точнее будет сказать, что он со сцены исчезает. р53, «страж генома», следит за повреждениями в ДНК, и если их накапливается слишком много, то останавливает клеточный цикл: клетка перестаёт делиться. Если стресс очень силён, р53 включает программу апоптоза, когда испортившаяся клетка уничтожает сама себя. Понятно, почему р53 называют антионкогеном: реагируя на повреждения ДНК, он подавляет мутации, которые могли бы спровоцировать злокачественное перерождение клетки с бесконтрольным делением.

Но окислительные повреждения ДНК сведены к минимуму, и р53 перестаёт работать. Пусть клетка уже стала раковой, этот белок мог бы потом остановить её деление, если бы нашёл ещё какие-то повреждения. Но повреждений нет. Известно, что р53 не работает на поздних стадиях развития опухоли, и считается, что ускорение в её росте не в последнюю очередь связано с отключением р53. На сей раз, когда исследователи искусственно отключали р53, онкогенный эффект у антиоксидантов исчезал: ни NAC, ни витамин Е рост опухоли не стимулировали. Что служит очевидным доказательством роли р53 в этом феномене.

Авторы работы оговариваются, что они работали с мышами, у которых рак уже начался. То есть о том, могут ли антиоксиданты спровоцировать рак на пустом месте, сказать пока ничего нельзя: возможно, в этом случае они как раз защищают клетки от злокачественного перерождения. Но бывает так, что у человека уже образовалась опухоль, о которой он ничего не знает и которую очень трудно диагностировать. В этом случае антиоксиданты, конечно, окажутся весьма не к месту. Впрочем, тут ещё нужно провести дополнительные исследования, которые смогли бы подтвердить нехорошую онкогенную роль антиоксидантов в человеческом организме, а не просто в культуре человеческих раковых клеток.

Подготовлено по материалам Гётеборгского университета. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Оригинал взят у

sergepolar в Десять разных ссылок. 24-я часть.

Если есть время - забавно полистать такие списки :)

Originally posted by

bear_bull at Десять разных ссылок. 24-я часть.

(Предыдущие 10 ссылок).

1. 50 наиболее значимых писателей за всю историю. Аналитики проверили алгеброй гармонию и не только выделили лучших, но и проранжировали их.
2. 50 романов, которые гарантированно сделают вас лучше.
3. 25 замечательных подростковых романов, от которых получат удовольствие и взрослые и еще 25 подростковых книг для взрослых, которые не читают подростковые книги.
4. 16 произведений, которые с точки зрения Эрнеста Хемингуэя должны прочитать юные читатели.
5. 29 книг, которые помогут пережить кризис четверти жизни.
6. 30 книг, котрые стоит прочитать до 30 лет.
7. Топ-15 депрессивных книг.
8. Топ-15 антиутопий.
9. 26 книг, котрые изменят ваш взгляд на мир.
10. 17 самых литературных научно-фантастических романов.

donmigel_62

Jan. 31st, 2014