Мы привыкли считать, что огонь виден. При горении образуется пламя — сильно нагретый газ, который светится.

Чёрная вода

Один из способов утилизации энергии солнечного излучения, падающего на землю, — концентрация его цилиндрическими зеркалами и поглощение жидкостью-теплоносителем, которая протекает по трубке, идущей вдоль фокуса зеркала. Далее нужно разумно использовать горячую жидкость, для чего есть несколько путей. Эффективность применения зависит от многих параметров, в первую очередь от способности жидкости поглощать излучение, от её теплопроводности и вязкости. Естественный путь увеличения поглощения — добавить в прозрачную жидкость частички графита. Соответственно, возникают новые параметры — форма, размер и концентрация частиц.

В Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск) задались вопросом, какие именно графитовые частицы стоит использовать. Исследовали три варианта — шарообразные наночастицы со средним диаметром 14 нм, графеновые чешуйки (1—7 слоёв, 50 нм в плане) и многостенные нанотрубки (средний диаметр 30 нм). Основная жидкость — вода с добавкой 1% поверхностно-активного реагента, додецилсульфата натрия, который обеспечивал устойчивость суспензии. Массовая концентрация частиц в воде — 0,01%. Поглощение солнечного излучения определялось на слое толщиной 25 мм, что согласуется с обычными солнечными коллекторами соответствующей конструкции. Наночастицы заняли первое место по поглощению излучения (97%), они же лучшие по теплопроводности (103% по отношению к воде с реагентом), а по вязкости (которая должна быть минимальна) — нанотрубки (99% по отношению к воде с реагентом).

Оптимальное решение в смысле выбора частиц зависит от того, что мы дальше делаем с нагретой жидкостью: для каких-то способов использования тепла более важна высокая теплопроводность, для каких-то — малая вязкость. По мнению авторов, в целом выигрывают микрочастицы.

Интересно, пробовал ли кто-то поглощать не чёрной жидкостью, а «чёрным газом» — взвесью микронных частиц графита в инертном по отношению к ним газе? Газ при нагреве желает расширяться и согласен вертеть турбину.

Морозова М. А., Зайковский А. В. Наножидкости на основе углеродных наноматериалов для коллекторов прямого сбора солнечной энергии. Письма в ЖТФ, 2024, вып. 13, с. 43.

Графен под затвором

При взгляде на графен мысль «хорошо бы сделать из него транзистор» появляется с той же скоростью, с которой бегают в нём электроны. Именно высокая подвижность электронов в графене приводит к идее использовать этот материал в качестве токонесущего слоя в полевых транзисторах. В транзисторе должны быть ещё два электрода — сток и исток, контактирующие с этим слоем, и затвор, напряжение на котором будет управлять током исток-сток. Но и это не всё — затвор необходимо отделить от токонесущего слоя изолятором.

Исследователи из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Института микроэлектроники Технического университета Вены (Австрия) пошли по необычному пути — в качестве изолятора, отделяющего токопроводящий графеновый канал от затвора, они использовали не SiO₂ или Al₂O₃, как делают обычно, а CaF₂, редко применяемый в электронике материал. Преимущества CaF₂: широкая запрещённая зона (12,1 эВ), высокая диэлектрическая проницаемость (на низких частотах 8,43) и близость постоянных решётки CaF₂ и Si, позволяющая выращивать слои CaF₂ на Si методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Авторы разработали технологию прибора, изготовили 50 образцов и измерили их характеристики. Оказалось, что ток исток-сток достаточно эффективно управляется потенциалом затвора, а утечки в цепи затвора на несколько порядков меньше тока стока.

Но особо интересно — поскольку говорит о достигнутом состоянии области — то, что авторы приводят данные о разбросе параметров исследованной полусотни образцов и что этот разброс оказался небольшим.

Илларионов Ю. Ю. и др. Полевой транзистор с графеновым каналом и эпитаксиальным слоем фторида кальция в роли подзатворного диэлектрика. Письма в ЖТФ, 2024, вып. 4, с. 27.

Чем светится пламя

Мы привыкли считать, что огонь виден. При горении образуется пламя — сильно нагретый газ, который светится. Правда, это свечение бывает не всегда ярким, иногда оно едва заметно, как, например, у обычного бытового газа при его сгорании на воздухе. Если слой газа толстый, то горячий газ светится очень ярко, как горячее твёрдое тело, — случай фотосферы Солнца и вообще звёзд. И ещё пламя светится, если в нём есть горячие твёрдые частицы. При горении углеводородов эти частицы — будущая сажа, их свойства и структура важны для многих промышленных применений горения и для экологии, поскольку они образуются при природных пожарах.

Примеры изображения расположения графеновых плоскостей внутри частиц сажи, просвечивающая электронная микроскопия. Слева — «молодая» частица сажи, справа — «взрослая». Выделенные области — зоны кристаллитов. Иллюстрация из реферируемой статьи.  

Исследователи из МВТУ и ИВТАН добыли из разных по высоте участков ацетилен-воздушного (ацетилен — 13,3%) и этилен-воздушного (этилен — 14,1%) пламени частицы сажи и изучили их. По мере продвижения в пламени частицы растут и изменяют свою структуру. Для обоих топлив в процессе роста частиц сажи происходит увеличение размера графеновых плоскостей и уменьшение доли водорода в составе частиц. Ацетиленовая сажа продемонстрировала более графитизированную структуру, чем этиленовая. Графитизация внутренней структуры частиц сажи имеет предел, при достижении которого структура и свойства перестают активно изменяться, то есть графеновые плоскости достигают размера 1,2—1,3 нм и больше не растут. Сами частицы имеют к этому моменту размер порядка 10 нм, но они на этом не останавливаются и продолжают расти. Важнейший результат работы — обнаружение заметного роста величины графеновых плоскостей с увеличением высоты пламени.

Гуренцов Е. В. и др. Анализ структуры частиц сажи в пламени методом спектроскопии комбинационного рассеяния. ЖТФ, 2024, вып. 5, с. 747.

№9, 2024