Nanowire device generates electricity from ambient humidity


Scientists in the US claim to have developed a device that can generate electricity from moisture in the air. The device, based around a thin film of electrically conductive protein nanowires, can produce continuous electrical power for around 20 hr, before self-recharging. The researchers say that such technology could provide clean energy without the restrictions on location and environmental conditions of other renewable energy solutions such as solar cells (Nature 10.1038/s41586-020-2010-9).

The device consists of a roughly 7 µm thin film of protein nanowires, harvested from the microorganism Geobacter sulfurreducens, deposited on a gold electrode with an area of around 25 mm2. A smaller, roughly 1 mm2, electrode is placed on top of the nanowire film.

Jun Yao, an electrical engineer at the University of Massachusetts, and his colleagues found that this set-up was able to produce a continuous current for more than 20 hr. After 20 hr, the voltage had dropped from around 0.5 V to 0.35 V, but when the load was removed, it went back up to 0.5 V within five hours, showing a self-recharging process.

The researchers also connected multiple devices together to increase the output. With 17 devices they were able to generate 10 V, and demonstrated that these connected devices could power an LED or a small liquid crystal display.

G. sulfurreducens was discovered by Derek Lovley, a microbiologist at the University of Massachusetts. He tells Physics World that the bacteria use the electrically conductive nanowires to make connections with other microbial species and with minerals. “For example, in soils and sediments, Geobacter ‘feeds’ electrons to methane-producing microorganisms, which use the electrons to convert carbon dioxide to methane,” Lovley says. “Geobacter also electrically connects to iron minerals in soils and sediments to use iron minerals similarly to how we use oxygen.”

Electricity from thin air

Energy is generated in the device due to a moisture gradient that forms within the nanowire film when it is exposed to the humidity naturally present in air, according to the researchers. The smaller electrode on the top is key, as it leaves one side exposed to the humid air, allowing the moisture gradient to develop.

Yao tells Physics World that the way the device works can be compared with lightning. “The cloud builds up positive and negative charges at the upper and lower sides, and upon a certain threshold, it discharges through the lightening,” he explains. “This indicates that charge can be build up from the ambient environment and we may be able to harvest it for electricity production. One can think of our device to be a small ‘cloud’, with one side open to air and the other sealed. Water molecules in the air constantly bump into the open surface, creating more charges than on the other one. The charge difference eventually will build up electric field or potential difference, which will drive the electric current output.”

The team experimentally determined that ambient humidity was the source of energy by sealing the top of the device, to block water-molecule exchange with the nanowires. This cut the electrical output, which returned once the seal was removed. They also found that increasing the ambient humidity, and thus the water-molecule exchange rate, increased the electric output. To check that there were no electrochemical reactions with the gold plates, the team replaced them with inert carbon electrodes, and were able to generate similar voltages. The device also worked in the dark, eliminating a photovoltaic effect.

Yao says that the researchers are now working on connecting devices together to increase the power volume. “We have demonstrated that the devices can be connected to increase the power, so at a certain point, it is proven this will scale,” he says. “We are working on material sciences and engineering strategies to scale up the technology.”

Physicsworld.com  March 03, 2020

Nature, vol.578, February 27, 2020

 

 

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

New 3D Computer Chip Uses Nanotech to Boost Processing Power

Today's chips separate memory (which stores data) and logic circuits (which process data), and data is shuttled back and forth between these two components to carry out operations. But due to the limited number of connections between memory and logic circuits, this is becoming a major bottleneck, particularly because computers are expected to deal with ever-increasing amounts of data.

Previously, this limitation was masked by the effects of Moore's law, which says that the number of transistors that can fit on a chip doubles every two years, with an accompanying increase in performance. But as chip makers hit fundamental physical limits on how small transistors can get, this trend has slowed.

The new prototype chip, designed by engineers from Stanford University and the Massachusetts Institute of Technology, tackles both problems simultaneously by layering memory and logic circuits on top of each other, rather than side by side.

On top of this, the researchers used logic circuits constructed from carbon nanotube transistors, along with an emerging technology called resistive random-access memory (RRAM), both of which are much more energy-efficient than silicon technologies. This is important because the huge energy needed to run data centers constitutes another major challenge facing technology companies.

«To get the next 1,000-times improvement in computing performance in terms of energy efficiency, which is making things run at very low energy and at the same time making things run really fast, this is the architecture you need,» Mitra said.

While both of these new nanotechnologies have inherent advantages over conventional, silicon-based technology, they are also integral to the new chip's 3D architecture, the researchers said.

The reason today's chips are 2D is because fabricating silicon transistors onto a chip requires temperatures of more than 1,000 degrees Celsius, which makes it impossible to layer silicon circuits on top of each other without damaging the bottom layer, the researchers said.

But both carbon nanotube transistors and RRAM are fabricated at cooler than 200 degrees C, so they can easily be layered on top of silicon without damaging the underlying circuitry. This also makes the researchers' approach compatible with current chip-making technology, they said.

Stacking many layers on top of each other could potentially lead to overheating, Mitra said, because top layers will be far from the heat sinks at the base of the chip. But, he added, that problem should be relatively simple to engineer around, and the increased energy-efficiency of the new technology means less heat is generated in the first place.

To demonstrate the benefits of its design, the team built a prototype gas detector by adding another layer of carbon nanotube-based sensors on top of the chip. The vertical integration meant that each of these sensors was directly connected to an RRAM cell, dramatically increasing the rate at which data could be processed.

This data was then transferred to the logic layer, which was implementing a machine learning algorithm that enabled it to distinguish among the vapors of lemon juice, vodka and beer.

This was just a demonstration, though, Mitra said, and the chip is highly versatile and particularly well-suited to the kind of data-heavy, deep neural network approaches that underpin current artificial intelligence technology.

Jan Rabaey, a professor of electrical engineering and computer science at the University of California at Berkeley, who was not involved in the research, said he agrees.

«These structures may be particularly suited for alternative learning-based computational paradigms such as brain-inspired systems and deep neural nets, and the approach presented by the authors is definitely a great first step in that direction,» he told MIT News.

This  study was published online July 5, 2019  in the journal Nature.

Original article on Live Science.

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Nanotechnology in textiles

 

Nanoengineered functional textiles are going to revolutionize the clothing that we'll wear. The potential of nanotechnology in the development of new materials in the textile industry is considerable. It could make possible the manufacture of textiles with entirely new properties or the combination of different functions in one textile material.

The first generation of nano-enhanced textiles benefitted from nano finishing: coating the surface of textiles and clothing with nanoparticles is an approach to the production of highly active surfaces to have UV-blocking, antimicrobial, antistatic, flame retardant, water and oil repellent, wrinkle — resistant, and self-cleaning properties. One stubborn hurdle that prevents nanomaterial-enhanced textiles from becoming more of a commercial reality is the insufficient durability of nanocoatings on textile fibers or the stability of various properties endowed by nanoparticles. Quite simply put, the 'smart' comes off during washing.

While antimicrobial properties are exerted by nano-silver, UV blocking, self-cleaning and flame-retardant properties are imparted by nano-metal oxide coatings. Zinc oxide nanoparticles embedded in polymer matrices like soluble starch are a good example of functional nanostructures with potential for applications such as UV-protection ability in textiles and sunscreens, and antibacterial finishes in medical textiles and inner wears.

Published a review paper on  February 26, 2016, online edition of ACS Nano («Nanotechnology in Textiles») discusses electronic and photonic nanotechnologies that are integrated with textiles and shows their applications in displays, sensing, and drug release within the context of performance, durability, and connectivity.

In these smart clothes,  the textile structures themselves perform electronic or electric functions. Ideally, the nanoelectronic components will be completely fused with the textile material, resulting in that textile and non-textile components cannot be differentiated and 'foreign particles' can no longer be seen or felt.

Based on Nanowerk Spotlight, 2019

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Nanobolometer with ultralow noise equivalent power

 

Researchers from Aalto University and the VTT Finnish Technical Research Center have built an ultra-sensitive bolometer — a thermal radiation detector. Made from a gold-palladium mixture, it facilitates real-time measurement of electromagnetic radiation intensity.

An article about the development published in the journal Communications Physics.

A bolometer works by measuring the thermal effect of radiation. When this appliance heats up, its electrical characteristics change, and this can be fixed with high accuracy. The smaller the bolometer, the less radiation is required to heat it. A small radiation detector has a low heat capacity, so a low radiation intensity gives a stronger signal.

“Quantum computers operate in cryostats, extremely cold containers, where even the smallest amount of excess radiation causes great disturbance. Since nanobolometers are very sensitive, they can accurately measure the level of excess radiation in a cryostat to reduce radiation due to better protection, ”says one of the authors of the work, Mikko Mottenen, professor of quantum technology at Aalto University.

In the course of the work, physicists first built a radiation detector from gold, but it broke after a few weeks  because gold is incompatible with aluminum, which is used as a superconductor in the detector. To overcome this, the group began using an alloy of gold and palladium.

In the course of the study, scientists also developed microwave amplifiers. Their task is to amplify the signal, but they also amplify the noise. The superconducting microwave amplifier created by physicists was able to halve bolometric noise in comparison with the best commercial amplifier currently in use.

Roope Kokkoniemi et al,  Communication Physics 2, 124 (2019)

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Управляемые нанотрубки передвигают наночастицы

В работе американских ученых под руководством Джона Харта (John Hart) из Массачусетского технологического институт представлен новый способ управляемого перемещения микро- и наночастиц, основанный на эффекте электроадгезии  нанотрубок, то есть изменения силы сцепления нанотрубок и частиц в зависимости от приложенного электрического напряжения. Этот принцип позволяет работать как с металлическими, так и с диэлектрическими телам, а технологическое применение метода на его основе может привести к дальнейшей миниатюризации электроники, так как в данный момент этот процесс сдерживается, в том числе, сложностью уменьшения роботизированных захватов, пишут авторы в журнале Science Advances

Современные электронные устройства состоят из огромного количества крошечных элементов, которые с высокой точностью необходимо разместить в нужных местах на плате. Сегодня миниатюризация компонентов достигла масштаба крупинок муки. Например, самые современные светодиоды для дисплеев могут быть до нескольких микрон в размере.

Во многих случаях эти детали перемещаются специальными механическими или вакуумными захватами. Однако по мере сокращения размеров устройств данные способы удержания становятся все менее эффективными, так как в микромире гравитация убывает с уменьшением тел быстрее, чем поверхностные силы Ван-дер-Ваальса. В результате механические микроманипуляторы не справляются самостоятельно с размещением деталей на расчетных местах и нуждаются в дополнительном усилии, которым обычно является адгезия подложки.

В работе американских ученых под руководством Джона Харта (John Hart) из Массачусетского технологического института описан способ управления адгезией подложки, состоящей из неплотного леса покрытых диэлектрической керамикой углеродных нанотрубок. Созданное авторами на основе данного принципа устройство позволяет манипулировать объектами размером вплоть до 20 нанометров.

Приложение электрического напряжения временно поляризует диэлектрическую оболочку нанотрубок, что увеличивает адгезию, за которую в данном случае отвечает электростатика, более чем стократно. В результате лес нанотрубок, который в норме примерно в 40 раз менее «липкий», чем большинство других твердых тел, образует в разы более сильную связь при приложении 30 вольт. Соответствующая измеренная в эксперименте сила для площадки 200 на 200 микрон составила 2,3 микроньютона. Снятие напряжения вызывало резкое уменьшение адгезии. Продемонстрированный размер захватываемых частиц намного меньше возможностей современных механических манипуляторов, которые с трудом справляются с перемещением тел менее 50 микрон. Также ученые отмечают, что эффект электроадгезии уже используется в некоторых промышленных технологиях для перемещения крупных объектов, таких как ткани или кремниевые пластины. Однако этот принцип никогда ранее не применялся для микроскопических тел. Ранее этот же коллектив ученых продемонстрировал печать электронных схем с использованием нанотрубок. Также физики раскрыли «двуличность» углеродных нанотрубок и смогли их охладить постоянным током до квантового режима.

N + 1, S. Kim et al  Science Advances, 2019

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

 

 

 

Американские физики построили микрофлюидное устройство, которое целенаправленно отбирает из крови скопления раковых клеток с эффективностью на уровне 70 процентов.

По словам ученых, новое устройство позволит разобраться в механизме образования метастазов и поможет разработать лекарство, предотвращающее этот процесс. Статья опубликована в AIP Advances.

Около 90 процентов случаев смерти от рака связывают с развитием метастазов, то есть распространением раковых опухолей на новые органы. В основном образование метастазов связано с небольшими скоплениями раковых клеток, которые отрываются от существующих опухолей и перемещаются в новые органы вместе с кровью. Если бы врачи умели отлавливать и уничтожать такие сгустки, это бы замедлило процесс метастазирования и, возможно, спасло бы много жизней. К сожалению, свойства таких сгустков изучены плохо. Это затрудняет разработку фильтрующих устройств.

Прежде чем исследовать сгустки раковых клеток, их сначала нужно изолировать и выделить из крови. Проблема в том, что сделать это на практике очень сложно: большинство методов извлечения раковых клеток требуют предварительной обработки образца, разрушающей значительную часть нужных клеток. Более того, все такие методы могут работать только с небольшими объемами (порядка одного-двух миллилитров) и слабыми потоками жидкости (менее 20 микролитров в минуту). Поэтому для сбора большого количества раковых клеток требуется ждать довольно много времени. Это не только усложняет исследования раковых клеток, но и влияет на свойства клеток, долго дожидавшихся эксперимента. Создавать фильтрующее устройство для очистки крови на основе таких методов также бессмысленно.

Поэтому группа ученых под руководством Питера Терьете (Peter Teriete) разработала микрофлюидный прибор, который почти на порядок увеличивает скорость выделения сгустков раковых клеток из крови.

NanoNewsNet

AIP Advances.

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Российские химики из НИТУ «МИСиС» разработали новый гибридный катализатор для окисления угарного газа, состоящий из гексагонального нитрида бора и серебряных наночастиц. Этот материал позволяет добиться полной конверсии монооксида углерода всего при 194 градусах Цельсия.

Монооксид углерода (он же угарный газ) — один из наиболее вредных для человека газов, содержащихся в промышленных газовых выбросах. В частности, он образуется при сжигании топлива при работе двигателей внутреннего сгорания. Для избавления автомобильных выхлопов от монооксида углерода в выхлопной системе обычно используются каталитические конвертеры, которые за счет каталитических реакций окисляют его до нетоксичного диоксида азота. Однако из-за повышения эффективности современных двигателей, которое сопровождается уменьшением температуры выхлопных газов, катализаторы резко теряют эффективность, в результате чего содержание угарного газа в них повышается.

Для борьбы с этим эффектом химики активно ищут новые типы катализаторов для окисления CO, которые могут работать и при относительно невысоких температурах — в районе 150–200 градусов Цельсия. Например, недавно американские исследователи получили катализатор для окисления угарного газа на отдельных атомах платины, распределенных по поверхности оксида церия. Некоторые материалы позволяют окислять CO с более низкой степенью конверсии и при температурах ниже 100 градусов. Читать запись полность. »

НАЖМИТЕ КНОПОЧКУ ВАМ НЕ ТЯЖЕЛО А МНЕ ПРИЯТНО

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс