Путешествие в микромир: технологии, которые меняют энергетику на уровне микронов
«Дорогая, я уменьшил детей», — в панике восклицал герой популярного комедийного фильма. Сегодня ученые не боятся работать на уровне микромира: рассказываем, как они создают наноловушки для света, умные микрокапсулы и целые лаборатории размером с чип.
Ловушка для света
В знаменитом японском мультфильме подростки ловили карманных монстров с помощью покеболов — специальных шаров-ловушек. Похожий принцип в своей разработке использовали исследователи из Петербурга. Они предложили новый способ синтеза вазоподобных микрокапсул — крошечных сфер-ловушек, которые захватывают не монстров, а свет! Излучение попадает внутрь через отверстие, рассеивается и поглощается, запуская химические реакции.
Такие структуры работают как фотокатализаторы — материалы, которые используют энергию света для ускорения реакций. Микросферы давно считали перспективными для получения водорода и переработки углекислого газа, но они плохо поддавались упорядоченному синтезу. Петербургские ученые первыми смогли формировать упорядоченные слои микрокапсул, предложив более простой способ их получения.
Доставка по адресу
Если в одном случае маленькие помощники ловят свет, то в другом работают как миниатюрные грузовики, которые доставляют нужные вещества точно по адресу. Речь идет об умных микрокапсулах для нефтедобычи. Ассоциация «Глобальная энергия» включила эту технологию в десятку самых перспективных решений энергетики будущего.
Это крошечные полые контейнеры размером от одного до тысячи микрометров. Для сравнения: длина инфузории-туфельки составляет около 130–150. Их можно заранее «настроить»: задать форму, состав и поведение в среде. Благодаря этому реагенты удается доставить в нужную точку и высвободить там, где они должны сработать. В нефтедобыче такой подход предлагают использовать для ремонта скважин и увеличения притока нефти.
Например, московские ученые предложили разработали микрокапсулы из полимерной оболочки и ядра с реагентом. После доставки к месту применения оболочку разрушают с помощью магнитного поля или СВЧ-излучения. Первые исследования показали, что технология ускоряет подземные работы и сокращает объемы реагентов.
Солнечные цветы
Одно из самых изящных решений, основанных на нанотехнологиях, используют специалисты в сфере солнечной энергетики. Ученые научились выращивать на поверхности солнечных панелей крошечные цветы — структуры из наноигл, придающих покрытию почти полностью черный цвет. Такая поверхность практически не отражает свет: материал поглощает до 96% солнечного излучения, что дает возможность заметно повысить эффективность солнечных батарей.
Еще одну технологию солнечная энергетика подсмотрела у тропических бабочек, крылья которых покрыты диковинными наноузорами. Они меньше длины световой волны и потому по-особому преломляют, рассеивают и фокусируют фотоны, усиливая поглощение излучения. По этому принципу ученые создают гибкие и легкие фотоэлементы: они меньше перегреваются, подстраиваются под угол падения лучей и меняют цвет в зависимости от освещения.
Энергия из шума
Пока одни ученые «сажают цветы» на солнечных панелях, другие выращивают целые леса из нанотрубок — так называют очень тонкие цилиндрические структуры из атомов (чаще всего — углерода), которые в энергетике ценят за высокую электропроводность, прочность и большую площадь поверхности.
Например, в Южном федеральном университете предложили получать с их помощью энергию прямо из городского шума. Для этого массивы нанотрубок выстраиваются в лес из вертикальных структур. Они улавливают вибрации от транспорта, шагов или работы техники и превращают их в электричество. Такие устройства могут питать небольшие гаджеты или датчики, используя колебания, которые обычно просто рассеиваются в окружающей среде.
Нанотрубки применяют и в других энергетических технологиях — от солнечных элементов до накопителей энергии. Их свойства открывают путь к созданию более компактных и эффективных устройств для производства и хранения энергии.
Лаборатория на чипе
Большинство описанных решений остаются перспективными разработками. Однако в микромире уже есть технологии, успешно применяемые на практике. Один из таких примеров — «лаборатория на чипе»: умная система, позволяющая на уровне микрочипа воспроизвести сложные процессы, происходящие в горных породах.
В основе технологии лежит микрофлюидика — наука о движении малых объемов жидкости по микроканалам. Сначала ученые с помощью компьютерной томографии создают цифровой двойник керна — образца горной породы, а затем переносят его структуру на стеклянный или кремниевый чип методом литографии. Так получается микроскопическая модель пласта, на которой можно наблюдать, как нефть, вода, газ и реагенты ведут себя внутри породы.
Российская технология начиналась как смелая идея и стартап, а затем получила поддержку в акселераторе INDUSTRIX от «Газпром нефти». Сегодня такие «клоны» керна дают возможность проводить сотни и тысячи исследований на одном и том же образце и подбирать эффективные решения для добычи углеводородов.
