Я уверен, что мы стоим на пороге новой революции в электронных технологиях. Революции, аналогичной той, которая произошла с изобретением микрочипа. А обеспечат ее – принципиально новые материалы, которые будут использоваться в микроэлектронике. Давайте посмотрим, каких успехов добилось мировое материаловедение за последний всего лишь год.

Сегодняшний выпуск «материаловедения» я решил полностью посвятить теме энергетики. Потому как понятно: если мы дальше будем ради получения электричества жечь нефть и газ, строить атомные реакторы, то долго не протянем. И именно новые материалы способны помочь развитию «зеленой», энергетики, не вредящей ни окружающей среде, ни нам с вами.

Сверхтонкие фотоэлементы

Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) научились создавать рекордно тонкие фотоэлементы, используя для этого своеобразные «бутерброды» из одноатомных листов графена и соединений молибдена. Такие фотоэлементы представляют собой перемежающиеся слои из двух разных двумерных веществ толщиной в один атом. В одном из вариантов используется сульфид молибдена MoS2 c графеном, в другом – аналогичное соединение с сульфидом вольфрама WS2.

Пока созданные учеными фотоэлементы демонстрируют невысокую эффективность. В расчете на количество преобразованной энергии она составляет всего около 1% против 15-20% у ныне существующих фотоэлементов. Однако если пересчитать выход электроэнергии на массу, то окажется, что у одноатомных «бутербродов» нет равных – они выдают минимум в 1000 раз больше энергии при том же весе.

По словам ученых, сверхтонкие фотоэлементы, созданные по этой технологии, имеют перспективы в космической индустрии, где особенно важна низкая масса, а размер панели не имеет принципиального значения. Но пока главным недостатком новых солнечных батарей является сложность промышленного производства – ни однослойные соединения молибдена, ни графен инженеры пока не научились получать в достаточно больших количествах.

Между тем, ученые уже давно занимаются прикладной разработкой не только тонких, но и гибких фотоэлементов. Так, недавно инженеры из Южной Кореи представили солнечные панели на основе аморфного кремния, которые можно наклеивать на любые гладкие поверхности подобно переводным картинкам.

Недорогие термоэлектрики

Дональд Морелли, профессор химической технологии и материаловедения университета штата Мичиган (MSU) возглавляет команду, которая разработала термоэлектрический материал на основе природных минералов, известных как «тетраэдриты». В результате получился материал, преобразующий разницу температур непосредственно в электрический ток. Сам физический принцип термоэлектричества известен давно, но до сих пор более-менее эффективные термоэлектрические материалы приходилось получать из редких, а иногда и токсичных элементов посредством дорогостоящих процедур синтеза. Нынешнее же открытие создает предпосылки для недорогого, экологически чистого производства электроэнергии.

«Что нам удалось сделать, так это синтезировать некоторые соединения, которые имеют тот же состав, что и природные минералы, – говорит профессор Морелли. – Минеральная семья, которую они имитируют, – одни из наиболее распространенных минералов этого типа на Земле – тетраэдриты. Путем очень незначительного изменения его состава мы получили высокоэффективные термоэлектрические материалы».

По сути, из обычной грязи создан новый материал, который может адаптировать тепло и непосредственно конвертировать его в электрический ток. Исследователи утверждают, что они создали новое вещество, используя самые доступные материалы, и что производство будет очень дешевым. Они уверены, что новая разработка может инициировать революцию в экологически чистой энергетике, принимая отработанное тепло из обычных источников и преобразуя его напрямую в электричество.

«Обычно вы добываете полезные ископаемые, очищаете и получаете отдельные элементы, а затем рекомбинируете их в новые соединения, от которых вы ждете хороших термоэлектрических свойств, – говорит профессор Морелли. – Но этот процесс стоит много денег и занимает много времени. Наш метод позволяет обойти большую часть этой процедуры».

Метод исследователей MSU предполагает использование очень распространенных материалов, растирание их в порошок, а затем – путем нагревания и высокого давления – прессование в образцы с пригодными для использования размерами. «Это дает огромную экономию на затратах по переработке», – добавляет Морелли.

Термоэлектрические материалы способны напрямую преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение (и наоборот). По словам ученых, эти материалы имеют огромный потенциал практического использования. Ведь подавляющее большинство тепла, которое генерируется, например, двигателем автомобиля, теряется через выхлопную трубу. Термоэлектрический материал способен «перехватить» это тепло и превратить его электричество.

Исследователи ожидают, что их открытие может дать дорогу многим новым недорогим разработкам, основанным на термоэлектрическом принципе. Потенциальные области применения включают утилизацию тепла от промышленных электростанций, конверсию тепла автомобильных выхлопных газов в электричество и так далее.

Исследования были опубликованы в интернет-журнале Advanced Energy Materials при поддержке Министерства энергетики США.

Фотоэлемент с рекордным КПД

Японская корпорация Sharp разработала фотоэлемент, который имеет рекордный показатель эффективности преобразования солнечной энергии в электрический ток. Каскадный фотоэлемент, состоящий из трех преобразователей с концентрирующей свет оптической системой, позволил в ходе экспериментов добиться КПД 44,4%.

Технологически это выглядит так: для выработки электрического тока в фотоэлементе используются три преобразующих полупроводниковых слоя: верхний – фосфид индия-галлия, средний – арсенид галлия, нижний – арсенид индия-галлия. Между слоями расположены прокладки из диэлектрика, которые обеспечивают туннельный эффект. Солнечный свет фокусируется на поверхности фотоэлемента размером 4х4 миллиметра при помощи линзы Френеля. Размеры линзы в разработке Sharp не превышают по ширине размеры фотоэлемента, что позволяет компактно разместить преобразующие энергию ячейки в составе солнечной батареи.

Конечно, такая батарея получается достаточно дорогой, но высокий КПД в данном случае все окупает.

«Биологическая» батарейка

Работающие в рамках международной группы ученые-биологи из университета Восточной Англии в Великобритании и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в США в ходе экспериментов пришли к выводу, что белки, находящиеся в клеточных мембранах бактерий, могут производить электрический ток, просто касаясь минерала или металла. То есть бактерии, которые помещаются прямо на поверхности металла или минерала, способны передавать электрический заряд через клеточные мембраны. Это означает, что могут быть созданы эффективные топливные элементы – «биобатареи» на основе микробов.

В ходе эксперимента ученые создали синтетическую версию бактерии Shewanella oneidensis, относящуюся к семейству морских бактерий. Для этого специалисты поместили белки в липидный слой из пузырьков (он служил клеточной мембраной), а затем проверили, насколько хорошо электроны перемещаются между бактерией и железосодержащим минералом.

«Биологи давно знали, что бактерии могут передавать электроэнергию металлам, но ранее не было показано, как это происходит. В экспериментах мы использовали капсулы, содержащие искусственные доноры электричества (молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, серу и т.п.), и мембраны, покрытые специфическим белком из бактерий, чтобы доказать, что контакт между мембраной бактерии и металлом может привести к необходимому результату», – говорит ведущий исследователь Том Кларк из Школы биологических наук Университета Восточной Англии.

По его словам, исследования в сфере «биологических батарей» идут уже не один десяток лет, но потребовалось немало времени, чтобы понять механизм их работы. В результате эксперименты подтвердили, что белки могут касаться поверхности минералов и производить электрический ток. Конечно, «биобатарейка» все еще требует множество улучшений, чтобы начать конкурировать с другими возобновляемыми источниками энергии. Пока существуют только ранние прототипы таких источников энергии.

По словам доктора наук Гейе Уайт из Университета Восточной Англии, в «биобатарейках» используются безвредные для человека бактерии, однако необходимы дополнительные исследования, прежде чем экологически чистое устройство будет воплощено в рамках коммерческого проекта.

«Мы работали над этим исследованием уже три года. В будущем мы могли бы создавать батареи, которые используют синтетические версии бактериальных механизмов», – добавила Гейе Уайт.

Виктор ДЕМИДОВ