Vísindamenn búa til efni sem einangrar betur en tómarúm

Án allra frumeinda þá er tómarúm oft talið besti þekkti einangrarinn. Vegna þess eru tómarúm oft notuð til að minnka hitaleiðni. Hinsvegar hafa vísindamenn uppgötvað efni sem leiðir hita verr en tómarúm: stafli af ljósstjórnandi kristöllum sem eru í lögum inní tómarúmi geta myndað efni með hitaleiðni sem er aðeins helmingur af hitaleiðni tómarúms.

Í grunninn þá getur hiti farið úr einu efni í annað á þrjá vegu: varmaburði, varmaleiðni eða geislun. Varmaburður og  varmaleiðni þurfa bæði eitthvað efni til að hiti fari á milli; því er virkni þessara tveggja leiða ekki til staðar í hreinu tómarúmi. Hinsvegar getur hiti einnig færst með innrauðri geislun, það er gerð af ljósi sem er ósýnilegt en hægt er að finna fyrir því sem hita.

Shanhui Fan við Stanford háskólann og samstarfsmenn hans veltu fyrir sér hvort eitthvað efni gæti lokað á innrauða geislun betur en tómarúm. Á síðasta ári þá reiknuðu vísindamennirnir út að fræðilega gætu ljósstjórnandi kristallar verið svarið. Ljósstjórnandi kristallar, sem hægt er að finna í náttúrunni sem og skapaðir í rannsóknarstofu, innihalda lotubundin bil af nanóbyggingum sem hafa áhrif á hvernig ljós ferðast í gegnum þá. Ljósstjórnandi kristallar geta haft bil sem stoppa útbreiðslu vissra bylgjulengda af ljósi. Í þessu tilfelli gætu þeir stoppað innrauða geislun.

Vísindamennirnir fundu að 100-míkrómetra þykk bygging gerð úr stafla af 10 ljósstjórnandi kristallögum, hvert þeirra um 1 míkrómetra þykkt, gæti minnkað hitaleiðnina niður í u.þ.b. helming af hitaleiðni tómarúms.  Í nýlegri rannsókn, þá reiknuðu Fan og samstarfsfélagar hans brot allra tíðna sem ljósstjórnandi kristallarnir hleypa í gegn. Það kom þeim að einhverju leyti á óvart að hitaleiðnin fer ekki eftir þykkt laganna heldur aðeins eftir því hversu hratt ljós ferðast í gegnum efnið.

Ljósstjórnandi kristallar hafa þegar sýnt lofandi eiginleika í samskiptum og tölvuvinnslu, nýja rannsóknin bendir til að hitaeiginleikar þeirra gætu gert þá nothæfa í önnur verk. Til dæmis í sólarhita tækni sem nýtir hita sólarinnar sem orkuuppsprettu og gæti hún hagnast af efni sem hleypir sýnilegu ljósi í gegn á meðan það heldur hitanum inni.

[Heimild: Physical Review Focus]

Vísir að RNA sameindum búinn til í vatni

Lykilspurning um uppruna líffræðilegra sameinda eins og RNA og DNA er um efnafræðilegt ferðalag þeirra frá einföldum forstigum uppí stærri og flóknari sameindir. Núna, í rannsókn sem birtist í þessari viku í Biological Chemistry, þá hafa rannsakandur á Ítalíu endurbyggt eitt af fyrstu skrefum þróunarinnar: að búa til langar keðjur af RNA frá einstökum grunneiningum notandi ekkert til hjálpar annað en heitt vatn.

Margir vísindamenn telja að RNA hafi verið ein af fyrstu líffræðilegu sameindunum til að verða til, á undan DNA og próteini, hinsvegar hefur ekki gengið vel að endurgera RNA frá einföldum forlífs sameindum sem voru líklegast til staðar á frumjörðinni fyrir milljörðum ára síðan.

Núna hafa Ernesto Di Mauro og samstarfsfélagar hans uppgötvað að fornar sameindir sem kallast hringlaga kirni, geta tengst saman í vatni og myndað fjölliður sem eru meira 100 kirna langar í vatni sem er 40-90°C heitt, álíka og vatnshitastig á frumjörðinni.

Hringlaga kirni eru mjög lík kirnunum sem mynda einstakar einingar af DNA og RNA (A, T, G og C), fyrir utan að þau mynda auka efnatengi og taka á sig hringlaga form. Þetta aukatengi gerir það að verkum að hringlaga kirni eru hvarfgjarnari, þannig að þau gátu tengst saman til að mynda langar keðjur nokkuð hratt (það tók um það bil 200 tíma að ná 100 kirna langri keðju).

Uppgötvunin er spennandi þar sem hringlaga kirni myndast auðveldlega frá einföldum efnum eins og formamíði, þannig að þau eru möguleg forlífsefni sem voru til staðar í forlífssúpunni. Þessi rannsókn gæti þá verið að sýna hvernig fyrstu hlutar erfðafræðilegra upplýsinga urðu til.

[Heimild: American Society for Biochemistry and Molecular Biology]

[Meiri upplýsingar: JBC]

Framtíðin í tveim orðum: jónaðir vökvar

Jónaðir vökvar eru sameindalausnir sem hafa mikla möguleika á að vera notaðir á ýmsum sviðum, þar á meðal næstu kynslóðar sólarrafölum, vetnis efnarafölum og lithíum rafhlöðum.

Þessar sameindasúpur geta verið nothæfar í ýmsum formum fyrir margt fólk. Þetta er það sem gæti hafa gripið áhuga orkustofnunar Bandaríkjanna sem styrkti efnafræðiprófessorinn Ed Castner og samstarfsfélaga hans um $2,4 milljónir til að dýfa sér í skoðun á eðli hleðsluskipta í jónuðum vökvum. Rannsókn hans hafði áður verið styrkt af jarðolíu rannsóknarsjóði ameríska efnafræðisambandsins og NSC (National Science Foundation).

Jónaðir vökvar innihalda jónir – frumefni sem eru neikvætt eða jákvætt hlaðin vegna þess að þau hafa of fáar eða of margar rafeindir eða eitthvað annað ójafnvægi í hleðslunni. Jafnvel með þetta ójafnvægi, þá eru þessar jónir stöðugar og eru óheftar í lausninni, ekki bundnar öðrum frumefnum eins og þau myndu vera í hlutlausum (óhlöddum) efnasamböndum.

Rafhlöður eru lykilþáttur í orkutækni en þær geta aðeins hlaðið og afhlaðið raforku sína frekar hægt – hugsaðu um hvernig farsími eða fartölva tekur einhverja klukkutíma að hlaða sig.

Nýjir ofurþéttar byggðir á jónavökva tækni munu skila betra starfi en nútíma tækni. Castner vonast til að tengja saman grunn vísindaverkefni sitt við þróun á næstu kynslóðar ofurþéttum og rafhlöðum.

Vetnis efnarafalar, sem eru hugsanlegir arftakar hefðbundinna rafhlaðna, virka best við hita sem er vel yfir suðumarki vatns; uppgufun getur skemmt fyrir virkni tækisins. Vegna þess að jónaðir vökvar sjóða nánast aldrei og eru stöðugir að háum hita, þá er talið að efnarafalar byggðir á jónuðum vökvum verði talsvert betri.

[Heimild: Rutgers, ríkisháskólinn í New Jersey]

Dökkt súkkulaði dregur úr tilfinningalegri streitu

Súkkulaði “lækningin” við tilfinningalegri streitu hefur fengið stuðning frá klínískri rannsókn sem var birt á vef ACS (American Chemical Society), Journal of Proteome Research.

Hún fann það út að 40 grömm af dökku súkkulaði á dag í 2 vikur minnkaði magn streitu hormóna í fólki sem var mjög stressað. Súkkulaðið leiðrétti einnig jafnvægi nokkura lífefna tengdum streitu.

Sunil Kochhar og samstarfsmenn hans bentu á rísandi magn sannana fyrir virkni andoxunarefna og annara gagnlegra efna í dökku súkkulaði á líkamann, minni líkur á hjartasjúkdómum og öðrum líkamlegum kvillum. Rannsóknin bendir þar að auki á að súkkulaði léttir á tilfinningalegu stressi. Þar til núna voru til lítil sönnunargögn úr tilraunum á mönnum um nákvæmlega hvernig súkkulaði gæti haft þessi áhrif á streitu.

Í rannsókninni báru vísindamennirnir kennsl á skerðingu streitu hormóna og annara streitu tengdra lífefna í sjálfboðaliðunum sem töldu sig verulega stressaða og borðuðu síðan dökkt súkkulaði í 2 vikur. “Rannsóknin birtir sterkar sannanir fyrir því að dagleg neysla af 40 grömmum yfir 2 vikna tímabil sé nóg til þess að breyta efnaskiptum í heilbrigðum sjálfboðaliða,” sögðu vísindamennirnir.

Þetta rennir stoðum undir þörf margra til þess að borða mikið af súkkulaði í kvíða og sorg. Allt er gott í hófi lét einhver hafa eftir sér.

[ACS Rannsóknin]

Skammtafræðileg gassmásjá veitir okkur sýn í heim skrýtinna ofurkaldra frumefna

Eðlisfræðingar við Harvard háskólann hafa búið til skammtafræðilega gassmásjá sem hægt er að nota til að skoða einstök frumefni við svo lágt hitastig að þau hegða sér eftir lögmálum skammtafræðinnar.

Vinna þeirra sem var gefin út í þessari viku í ritinu Nature, kynnir hvernig vísindamenn hafa í fyrsta skipti numið einstök atóm í kristalskenndri byggingu aðeins gerð úr ljósi, kallast það Bose-Hubbard ljósfræðileg grind. Er það hluti af tilraunum vísindamanna til að nota ofurköld skammtafræðileg gös til að skilja og þróa ný skammtafræðileg efni.

“Hægt er að nota ofurköld frumefni í ljósfræðilegum grindum sem líkan til að hjálpa okkur að skilja eðlisfræðina á bakvið ofurleiðni eða skammtafræðilega segulfræði,” sagði einn höfundanna, Markus Greiner, aðstoðarprófessor í eðlisfræði við Harvard og aðili við Harvard – MIT miðstöðina um ofurköld frumefni. “Við búumst við að tækni okkar, brúi bilið milli fyrrum aðferða til að rannsaka skammtafræðileg kerfi, mun þetta hjálpa til við skammtafræðilega herma á þéttum efnakerfum og einnig nýtast við skammtafræðilega gagnavinnslu.”

Skammtafræðilega gassmásjáin sem var hönnuð af Greiner og samstarfsfélögum hans er háupplausnar tæki sem getur skoðað einstök frumefni – í þessu tilfelli, frumefni af rúbídíum – sem eru í einstökum stöðum í ljósgrindinni. Rúbidíum frumefnin eru kæld niður í aðeins 5 brot af milljarði af gráðu fyrir ofan alkul. (0 á Kelvin, -273°C)

“Við svona lágt hitastig, þá fylgja frumefni reglum skammtaaflfræði sem leiðir til þess að þau hegða sér á mjög óvænta vegu,” útskýrir einn höfundanna, Waseem S. Bakr, útskriftarnemandi við eðlisfræðideild Harvards. “Skammtaaflfræði leyfir frumefnum að hreyfa sig snöggt innan grindarinnar, hreyfa sig án alls viðnáms, jafnvel vera óstaðbundinn yfir alla grindina. Með smásjánni okkar getum við skoðað tugi þúsunda frumefna vinna saman að þessum ótrulegu verkum.”

Með því að takmarka skammtafræðilegt gas – eins og til dæmis Bose-Einstein þétta – á svona ljósfræðilega grind sem býr til kerfi sem hægt er að nota til að gera líkan af flóknum fyrirbærum í eðlisfræði þéttra efna, til dæmis ofurstreymi. Þangað til núna var aðeins hægt að skoða meginhluta þessara kerfa en hæfileiki nýju smásjáarinnar til að nema röðun þúsundra einstakra frumefna veitir vísindamönnum nýjar leiðir til að eiga við grunneiginleika efnis, sem gerir það að verkum að hægt er að rannsaka þessi hermikerfi á mun nákvæmari hátt, hugsanlega einnig grunn að einsíðu útskriftarkerfi fyrir skammtatölvur.

Það er mörgum spurningum ósvarað í sambandi við skammtafræðileg efni, t.d. háhita ofurleiðurum sem missa allt rafviðnám ef þeir eru kældir niður í hæfilegt hitastig,” sagði Greiner. “Við vonumst til að þessi ofurköldu frumefna kerfi geti gefið okku svör við sumum af þessum mikilvægu spurningum, þannig leitt veginn við gerð nýrra skammtafræðilega efna með hingað til óþekktum eiginleikum.”

[Heimild: Harvard háskólinn]

Öflugari og ódýrari sink-loft rafhlöður á leið á markað

Ný tegund af endurhlaðanlegum rafhlöðum þróaðar í Noregi munu brátt koma á markað, og gætu rutt úr vegi hinum hefðbundnu litínjónarafhlöðum (lithium-ion) sem eru í farsímum og fartölvum. Einnig er stefnt að því að nýta þær í rafmagnsbíla í náinni framtíð. Þessar nýju rafhlöður geta geymt þrisvar sinnum meiri orku og kosta helmingi minna en hefðbundnu litínjónarafhlöðurnar.

Svissneska fyrirtækið ReVolt gerir ráð fyrir því að koma þessum nýju rafhlöðum á markað á næsta ári, í fyrstu einungis örsmáar útfærslur í heyrnartæki, en síðar meir í farsíma og fartölvur. Í framtíðinni gera þeir einnig ráð fyrir því að vera með stórar útfærslur á þessum rafhlöðum fyrir rafmagnsbíla.

Rafhlöðurnar voru þróaðar í Þrándheimi í Noregi af SINTEF, sem er stærsta sjálfstæða rannsóknarstofnun Skandinavíu, og fyrirtækinu ReVolt var komið á laggirnar til þess að markaðsetja rafhlöðurnar.

Sink-loft rafhlöður þurfa súrefni úr andrúmsloftinu til þess að framkalla straum, og eru þær talsvert öruggari heldur en litínjónarafhlöður vegna þess að þær nota engin rokgjörn efni og eru því ekki eldfimar. Óendurhlaðanlegar sink-loft rafhlöður hafa verið til í nokkurn tíma, en erfitt hefur þótt að þróa endurhlaðanlegar útgáfur af þeim.

Rafhlaðan samanstendur af “loft”-rafskauti, raflausn (electrolyte) og sink-rafskauti, öllu pakkað í umbúðir sem hleypa inn lofti. Þegar rafhlaðan gefur straum framkallar loft-rafskautið hýdroxýl jónir í raflausninni með hjálp efnahvata. Hjá sink-rafskautinu oxa hýdroxýl jónirnar sinkið, sem er ferli sem leysir frá sér rafeindir og myndar rafstraum. Þegar rafhlaðan er síðan endurhlaðin er ferlinu algjörlega snúið við, og loft losnar frá loft-rafskautinu.

Frumgerðir af rafhlöðunni hafa verið prófaðar í meira en tvöhundruð hleðslu- og afhleðsluferli og búist er við því að þau endist í það minnsta tvöfalt lengur en það. Forstjóri ReVolt, James McDougall, segir fyrirtækið vonist til þess að geta aukið endinguna um allt að 300-500 ferli, sem myndi gera rafhlöðurnar notvænar í t.d. farsíma.

ReVolt hefur einnig staðið að þróun sink-loft rafhlaðna fyrir rafmagnsfarartæki. Þessar rafhlöður líkjast eldsneytissellum, með sink blöndu sem myndar fljótandi sink-rafskaut, og rör sem mynda loft-rafskautið. Rafstraumur er búinn til með því að dæla sink blöndunni í gegnum rörin, þar sem það oxast og leysir frá sér rafeindir. Sinkoxíðið sem myndast er geymt þangað til að það flæðir aftur um rörin þegar rafhlaðan er endurhlaðin. Þetta ferli leysir frá sér súrefni, og sinkoxíðið umbreytist í sink. Búist við því að þessi útfærsla endist ennþá lengur, eða allt að 10,000 ferli. Einnig er auðvelt að gera við þessa útfærslu af rafhlöðunni með því að skipta út slitnum pörtum í henni.

Sink-loft rafhlöður fyrir heyrnartæki verða tilbúin á markað á næsta ári. Gera má ráð fyrir rafhlöðunum fyrir rafmagnsfarartæki á markað eftir nokkur ár.

Frekar upplýsingar: ReVolt Technology