На этой неделе произошло значимое событие для науки: Королевская шведская академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии 2025 года по физике и химии, отметив новаторские исследования, которые обещают изменить технологии и помочь решить глобальные задачи устойчивого развития.Награды по физике во вторник были присуждены трем американским исследователям — Джону Кларку из Калифорнийского университета в Беркли, Мишелю Деворе из Йельского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а также Джону Мартиносу из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре — за открытие макроскопического квантовомеханического туннелирования в электрических схемах. Их работа доказала, что квантовые явления, ранее наблюдавшиеся только в атомных масштабах, могут возникать в схемах, достаточно больших, чтобы держать их в руке.Премия по химии, объявленная в среду, была присуждена Сусуму Китагаве из Киотского университета, Ричарду Робсону из Мельбурнского университета и Омару Яги из Калифорнийского университета в Беркли за разработку металло-органических каркасов (MOF) — кристаллических материалов, которые действуют как «молекулярные губки», способные улавливать газы и другие вещества.
Квантовый прорыв открывает путь к революции в вычислениях
Эксперименты лауреатов по физике в середине 1980-х годов использовали сверхпроводящие схемы, содержащие переходы Джозефсона — два сверхпроводника, разделённых тонкими барьерами, — чтобы продемонстрировать, что квантовое туннелирование может происходить в макроскопических масштабах. Их работа показала, что вся электрическая схема могла "протуннелировать" через энергетические барьеры, проявляя квантовое поведение, несмотря на то что содержит квинтиллионы частиц.
«Мягко говоря, это был самый большой сюрприз в моей жизни», — сказал Кларк журналистам после того, как узнал о вручении награды. Это открытие заложило основу для сверхпроводящих квантовых компьютеров, которые сейчас разрабатываются такими компаниями, как Google и IBM, а Мартинис впоследствии разработал первый сверхпроводящий кубит, используя эти принципы.
Этот прорыв демонстрирует, что «законы субатомного мира управляют схемами настолько крупными, что, в принципе, можно было бы видеть поведение системы невооружённым глазом», согласно заявлению Нобелевского комитета.
Премия по химии отмечает достижения в области климатических решений
Лауреаты по химии создали материалы с огромной внутренней площадью поверхности — до 10 000 квадратных метров на грамм, что эквивалентно двум футбольным полям. Эти МОФы можно настраивать для захвата определённых молекул, что делает их ценными для секвестрации диоксида углерода, сбора воды из пустынного воздуха и экологической ремедиации.
«Представьте, что инструменты химии могут быть использованы для создания совершенно новых материалов с небывалыми свойствами», — сказал Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитета по химии. МОФы уже проходят испытания для промышленного захвата углекислого газа, причем устойчивая структура CALF-20 проявляет особенно высокий потенциал для поглощения CO₂.
Нобелевский комитет сравнил МОФы с волшебной сумкой Гермионы Грейнджер из Гарри Поттера — с виду небольшой снаружи, но способной вместить огромные количества внутри. Применения варьируются от разложения фармацевтических загрязнителей в воде до удаления химикатов ПФАС и хранения водорода для чистой энергии.
Каждая премия сопровождается денежным вознаграждением в 11 миллионов шведских крон (примерно 1,2 миллиона долларов), которые будут разделены между лауреатами. Эти открытия отмечают фундаментальные исследования с глубокими последствиями для квантовых вычислений, смягчения последствий изменения климата и устойчивых технологий, способных изменить подход человечества к величайшим вызовам.
Важно понимать:
***
## Что сравнивается и как работают MOFs
- Металлоорганические каркасы (MOFs) — это уникальные пористые материалы с огромной внутренней площадью поверхности, способные адсорбировать молекулы газа внутри своих нанопор.
- В отличие от обычного газа, который занимает объём, и сжатого газа в баллоне, который хранится под высоким давлением, MOFs хранят газ за счёт адсорбции молекул на внутренней поверхности пор при умеренных давлениях (обычно до 30-50 атмосфер).
- Внешний физический объём MOF и газового баллона одинаков — но MOFs увеличивают количество удерживаемого газа за счёт огромной внутренней поверхности пор, а не за счёт увеличения внешнего объёма.
## Сравнение MOFs с обычным сжатым газом в баллонах
- В стандартных газовых баллонах газ хранится под высоким давлением (свыше 150 атмосфер), что обеспечивает очень высокую плотность газа в ограниченном объёме.
- MOFs позволяют увеличить ёмкость хранения газа примерно в 2-5 раз по сравнению с таким же объёмом газа при нормальных условиях, но не достигают плотности сжатого газа в баллоне.
- Сжатый газ в баллоне обычно хранится в десятки или сотни раз большем количестве молекул газа, чем MOF в том же объёме.
## Для чего предназначены MOFs
- MOFs не являются прямой альтернативой сжатым газовым баллонам в бытовых или крупных промышленных целях хранения газа.
- Их главные преимущества — это:
- Хранение газа при более низком давлении, что повышает безопасность.
- Высокая селективность для разделения и очистки газовых смесей (например, улавливание CO2 или токсичных газов).
- Повторное использование и лёгкая регенерация.
- Минимизация энергозатрат на сжатие газа.
- Благодаря этим свойствам MOFs востребованы в экологических технологиях, производстве чистого топлива, технологиях улавливания и разделения газов, мобильных и стационарных энергетических системах.
***
Таким образом, MOFs — это инновационные материалы, улучшающие эффективность и безопасность хранения газа в специальных сценариях, но они не предназначены для замены традиционных газовых баллонов сжатого или сжиженного газа. Это скорее дополнение и оптимизация в тех областях, где важно сочетание безопасности, селективности и энергоэффективности.
Комментариев нет:
Отправить комментарий