Рубрика: Технології

Нове віконне покриття знижує температуру в приміщенні та витрати на електроенергію, вибірково блокуючи світло, що виділяє тепло, ефективне під будь-яким кутом сонячного світла.

Вікна приймають світло у внутрішні приміщення, але вони також приносять небажане тепло. Нове покриття вікна блокує ультрафіолетове та інфрачервоне світло, що виділяє тепло, і пропускає видиме світло незалежно від кута нахилу сонця. Покриття можна використовувати на існуючих вікнах або автомобілях і може зменшити витрати на охолодження кондиціонера більш ніж на одну третину в жаркому кліматі.

Ефективний дизайн для зміни кутів сонця

«Кут між сонячним світлом і вашим вікном постійно змінюється», — сказав Тенгфей Луо, професор енергетичних досліджень родини Доріні в Університеті Нотр-Дам і керівник дослідження. «Наше покриття зберігає функціональність і ефективність незалежно від положення сонця на небі».

Віконні покриття, які використовуються в багатьох останніх дослідженнях, оптимізовані для світла, яке потрапляє в кімнату під кутом 90 градусів. Проте опівдні, часто в найжаркіший час дня, сонячні промені проникають у вертикально встановлені вікна під косими кутами.

Сучасні матеріали та методи

Луо та його помічник Сонмін Кім раніше створили прозоре віконне покриття, наклавши надтонкі шари кремнезему, оксиду алюмінію та оксиду титану на скляну основу. Кремнієвий полімер товщиною мікрометра був доданий для посилення охолоджувальної здатності конструкції шляхом відображення теплового випромінювання через атмосферне вікно у відкритий космос.

Додаткова оптимізація порядку шарів була необхідна, щоб гарантувати, що покриття вміщуватиме різні кути сонячного світла. Однак підхід методом проб і помилок не був практичним, враховуючи величезну кількість можливих комбінацій, сказав Луо.

Щоб перетасувати шари в оптимальну конфігурацію — таку, яка максимізує пропускання видимого світла та мінімізує проходження довжин хвиль, що утворюють тепло, — команда використала квантове обчислення , або, точніше, квантовий відпал, і підтвердила свої результати експериментально.

Результати та застосування

Їхня модель створила покриття, яке зберігало прозорість і знижувало температуру на 5,4-7,2 градуса за Цельсієм (9,7-13 градусів за Фаренгейтом) у модельній кімнаті, навіть коли світло проходило під різними кутами. Результати лабораторії були нещодавно опубліковані в Cell Reports Physical Science.

«Як і поляризовані сонцезахисні окуляри, наше покриття зменшує інтенсивність вхідного світла, але, на відміну від сонцезахисних окулярів, наше покриття залишається чітким і ефективним, навіть якщо ви нахиляєте його під різними кутами», — сказав Ло.

Схема активного навчання та квантового обчислення, розроблена для створення цього покриття, може бути використана для розробки широкого діапазону матеріалів зі складними властивостями.

Електромагнітні хвилі терагерцевої частоти мають значні перспективи для розвитку комунікацій, а також технологій сканування та зображення. Однак використання їх потенціалу пов’язане з перешкодами. Команда з Університету Тохоку зробила прорив, створивши новий тип регульованого фільтра спеціально для терагерцового спектра хвиль. Їхні висновки були опубліковані в журналі Optics Letters.

Хвилі терагерцового діапазону займають область електромагнітного спектра між мікрохвильовою та інфрачервоною частотами. Вони мають вищу частоту (коротшу довжину хвилі), ніж радіохвилі, але нижчу частоту, ніж видиме світло. Спектр радіохвиль, що стає все більш перевантаженим, передає величезну кількість даних, що передаються через WiFi, Bluetooth і сучасні системи зв’язку мобільних телефонів (мобільних телефонів).

Скупчення сигналів у нижчих частинах електромагнітного спектра є одним зі стимулів для вивчення варіантів у терагерцовій області. Інша — здатність підтримувати надвисокі швидкості передачі даних. Однак ключовою проблемою використання терагерцових сигналів для звичайного застосування є можливість налаштування та фільтрації сигналів на певних частотах. Фільтрація потрібна, щоб уникнути перешкод від сигналів за межами потрібного діапазону частот.

Прорив у терагерцевій фільтрації

«Ми створили та продемонстрували частотно-регульований фільтр для терагерцових хвиль, який досяг вищої швидкості передачі та кращої якості сигналу, ніж звичайні системи, розкриваючи потенціал терагерцового бездротового зв’язку», — каже Йошіакі Канаморі з команди Tohoku. Він додає, що робота також може бути більш широко застосована за межами терагерцового діапазону частот.

Новий терагерцевий фільтр заснований на пристрої під назвою інтерферометр Фабрі-Перо, який, як і всі інші інтерферометри, спирається на інтерференційні картини, створені, коли різні хвилі електромагнітного випромінювання взаємодіють одна з одною, коли вони відбиваються між дзеркалами. Версія дослідників використовує дрібно структуровані решітки з проміжками, меншими за довжину хвилі, що взаємодіють, як матеріал між дзеркалами. Змінне розтягування решіток дозволяє точно контролювати їхній показник заломлення, необхідний для налаштування ефекту фільтрації інтерферометра. Це дозволяє передавати лише бажану частоту. Використання різних граток дозволяє контролювати різні вибрані діапазони частот.

Розширення додатків і переваг

Команда продемонструвала застосування своєї системи для частот, придатних для сигналів мобільних телефонів наступного покоління (6G).

«На додаток до застосування нашого методу в системах зв’язку, ми також передбачаємо використання в технологіях сканування та обробки зображень у медицині та промисловості», — каже Канаморі.

Однією з переваг терагерцових хвиль у скануванні та візуалізації є те, що вони можуть легко проникати через матеріали, включаючи біологічні тканини, які блокують проходження світла. Окрім медичних застосувань, це може запропонувати можливості для аналізу матеріалів, систем безпеки та контролю якості у виробництві.

«Загалом наша робота пропонує простий і економічно ефективний метод фільтрації та активного контролю терагерцових хвиль, що може сприяти їх використанню в багатьох програмах», — підсумовує Канаморі.

Він показує великий потенціал для просування розробки високоефективних сонячних батарей наступного покоління, які є життєво важливими для задоволення глобальних енергетичних потреб. Команда з Університету Лехай створила матеріал, який може значно підвищити ефективність сонячних панелей.

Прототип, який використовує цей матеріал як активний шар у сонячному елементі, демонструє середнє фотоелектричне поглинання 80%, високу швидкість генерації фотозбуджених носіїв та зовнішню квантову ефективність (EQE) до безпрецедентних 190% — показник, який значно перевищує теоретичне обмеження ефективності Шоклі-Квейссера для матеріалів на основі кремнію та висуває сферу квантових матеріалів для фотоелектричної енергії на нові висоти.

«Ця робота являє собою значний крок вперед у нашому розумінні та розробці рішень сталої енергетики, висвітлюючи інноваційні підходи, які могли б переосмислити ефективність сонячної енергії та доступність у найближчому майбутньому», — сказав Чінеду Екума, професор фізики, який опублікував статтю про розробку матеріалу з докторантом Lehigh Шріхарі Кастуаром у журналі Science Advances.

Розширені властивості матеріалу

Стрибок ефективності матеріалу в основному пояснюється його відмінними «станами проміжної смуги», специфічними рівнями енергії, які розташовані в електронній структурі матеріалу таким чином, що робить їх ідеальними для перетворення сонячної енергії.

Ці стани мають рівні енергії в межах оптимальних підзонних проміжків — енергетичних діапазонів, де матеріал може ефективно поглинати сонячне світло та виробляти носії заряду — близько 0,78 і 1,26 електронвольта. Крім того, матеріал особливо добре працює з високим рівнем поглинання в інфрачервоній та видимій областях електромагнітного спектра.

У традиційних сонячних елементах максимальний EQE становить 100%, що означає генерацію та збір одного електрона для кожного фотона, поглиненого сонячним світлом. Однак деякі передові матеріали та конфігурації, розроблені протягом останніх кількох років, продемонстрували здатність генерувати та збирати більше одного електрона з фотонів високої енергії, що представляє EQE понад 100%.

Хоча такі матеріали множинної генерації екситонів (MEG) ще мають бути широко комерціалізовані, вони мають потенціал для значного підвищення ефективності сонячних енергетичних систем. У матеріалі, розробленому Lehigh, стани проміжної смуги дозволяють вловлювати енергію фотонів, яка втрачається традиційними сонячними елементами, в тому числі через відображення та виробництво тепла.

Матеріальний розвиток і потенціал

Дослідники розробили новий матеріал, використовуючи переваги «ван-дер-ваальсових проміжків», атомарно малих проміжків між шаруватими двовимірними матеріалами. Ці проміжки можуть обмежувати молекули або іони, і матеріалознавці зазвичай використовують їх для вставки або «інтеркаляції» інших елементів для налаштування властивостей матеріалу.

Щоб розробити свій новий матеріал, дослідники Lehigh вставили атоми нуль-валентної міді між шарами двовимірного матеріалу, виготовленого з селеніду германію (GeSe) і сульфіду олова (SnS).

«Його швидка реакція та підвищена ефективність переконливо вказують на потенціал GeSe/SnS, інтеркальованого Cu, як квантового матеріалу для використання в передових фотоелектричних додатках, пропонуючи шлях для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії», — сказав він. «Це багатообіцяючий кандидат для розробки високоефективних сонячних елементів нового покоління, які відіграватимуть вирішальну роль у задоволенні глобальних енергетичних потреб».

Хоча інтеграція нещодавно розробленого квантового матеріалу в поточні системи сонячної енергії потребуватиме подальших досліджень і розробок, Екума вказує на те, що експериментальна техніка, яка використовується для створення цих матеріалів, уже дуже просунута. З часом вчені освоїли метод, який точно вставляє атоми, іони та молекули в матеріали.

OpenAI офіційно представила оновлення GPT-4 Turbo для платних користувачів ChatGPT, яке покращило можливості чат-боти в написанні, кодуванні та спілкуванні. Оновлення обіцяє більш прямі та короткі відповіді під час використання ChatGPT. Раніше OpenAI пообіцяла згодом відмовитися від багатослівних і потенційно повторюваних результатів роботи ChatGPT.

GPT-4 Turbo тепер може обробляти у шість разів більше текстових даних — 300 сторінок у порівнянні з попереднім обмеженням у 50. Користувач може задавати більш детальні запити користувачеві та потенційно отримувати якісніші відповіді. Крім того, GPT-4 Turbo тепер може генерувати підписи та описи для зображень та обробляти запити на перетворення тексту на мовлення.

Але навчання на цьому не закінчується. З моменту першого анонсу GPT-4 Turbo ще більше розширив свою базу знань. Якщо GPT-4 мав інформацію до вересня 2021 року, а GPT-4 Turbo спочатку був обмежений квітнем 2023, то тепер у базі зберігаються дані Мережі аж до грудня 2023 року.

У результаті прориву, який міг би революціонізувати бездротовий зв’язок, дослідники оприлюднили новий метод керування терагерцовими хвилями, що дозволяє їм огинатися навколо перешкод, а не блокуватися ними.

Незважаючи на те, що стільникові мережі та системи Wi-Fi вдосконалені, ніж будь-коли, вони також швидко досягають обмежень пропускної здатності. Вчені знають, що найближчим часом їм доведеться перейти на набагато вищі частоти зв’язку, ніж ті, на які покладаються поточні системи, але перш ніж це станеться, на цьому шляху стоїть ряд — буквально — перешкод.

Дослідники з Університетів Брауна та Університету Райса кажуть, що вони зробили ще один крок ближче до того, щоб обійти такі тверді перешкоди, як стіни, меблі та навіть люди — і вони роблять це за допомогою викривлення світла.

Досягнення в терагерцевому зв’язку

У новому дослідженні, опублікованому в Communications Engineering, дослідники описують, як вони допомагають вирішити одну з найбільших проблем, що виникають у бездротовому зв’язку. Сучасні системи покладаються на мікрохвильове випромінювання для передачі даних, але стало зрозуміло, що майбутній стандарт передачі даних використовуватиме терагерцові хвилі, які мають у 100 разів більшу пропускну здатність, ніж мікрохвилі. Однією з давніх проблем було те, що, на відміну від мікрохвиль, сигнали терагерцового діапазону можуть бути заблоковані більшістю твердих об’єктів, що робить пряму лінію видимості між передавачем і приймачем логістичною вимогою.

«Більшість людей, ймовірно, використовують базову станцію Wi-Fi, яка наповнює кімнату бездротовими сигналами», — сказав Даніель Міттлмен, професор Інженерної школи Брауна та старший автор дослідження. «Незалежно від того, куди вони рухаються, вони підтримують зв’язок. На вищих частотах, про які ми тут говоримо, ви більше не зможете цього робити. Натомість це буде спрямований промінь. Якщо ви рухаєтеся, цей промінь повинен буде слідувати за вами, щоб підтримувати зв’язок, і якщо ви рухаєтеся за межі променя або щось блокує цей зв’язок, ви не отримуєте жодного сигналу».

Дослідники обійшли це, створивши терагерцовий сигнал, який слідує за вигнутою траєкторією навколо перешкоди, замість того, щоб бути заблокованим нею.

«Це перший у світі вигнутий канал передачі даних, важлива віха в реалізації бачення 6G високої швидкості передачі даних і високої надійності», — сказав Едвард Найтлі, співавтор дослідження та професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті Райса.

За словами дослідників, новий метод, представлений у дослідженні, може допомогти революціонізувати бездротовий зв’язок і підкреслити можливість створення в майбутньому бездротових мереж передачі даних, які працюють на терагерцевих частотах.

«Ми хочемо більше даних за секунду», — сказав Міттлмен. «Якщо ви хочете зробити це, вам потрібна більша пропускна здатність, а цієї пропускної здатності просто не існує, якщо використовувати звичайні діапазони частот».

Нові методи передачі сигналу

У дослідженні Міттлмен та його колеги вводять концепцію самоприскорювальних пучків. Промені — це спеціальні конфігурації електромагнітних хвиль, які природним чином згинаються або вигинаються в одну сторону під час руху в просторі. Промені досліджувалися на оптичних частотах, але зараз досліджуються для терагерцового зв’язку.

Дослідники використали цю ідею як відправну точку. Вони розробили передавачі з ретельно розробленими шаблонами, щоб система могла маніпулювати силою, інтенсивністю та часом електромагнітних хвиль, які виробляються. Завдяки цій здатності маніпулювати світлом дослідники змушують хвилі працювати разом більш ефективно, щоб підтримувати сигнал, коли твердий предмет блокує частину променя. По суті, світловий промінь пристосовується до блокування, перемішуючи дані за шаблонами, розробленими дослідниками в передавач. Коли один шаблон заблоковано, дані передаються до наступного, а потім до наступного, якщо він заблокований. Це зберігає зв’язок сигналу повністю недоторканим. Без цього рівня контролю, коли промінь заблоковано, система не може внести жодних коригувань, тому сигнал не проходить.

Це ефективно змушує сигнал огинатися навколо об’єктів, якщо передавач не повністю заблоковано. Якщо він повністю заблокований, знадобиться інший спосіб передачі даних одержувачу.

«Викривлення балки не вирішує всіх можливих проблем з блокуванням, але воно вирішує деякі з них, і це вирішує їх у спосіб, який є кращим, ніж те, що намагалися інші», — сказав Гічем Гербуха, який керував дослідженням як докторант. в Брауні, а зараз є доцентом Університету Міссурі – Канзас-Сіті.

Дослідники підтвердили свої висновки за допомогою масштабного моделювання та експериментів, обходячи перешкоди, щоб підтримувати комунікаційні зв’язки з високою надійністю та цілісністю. Робота базується на попередньому дослідженні команди, яке показало, що канали передачі даних терагерцового діапазону можуть відбиватися від стін у кімнаті без втрати надто великої кількості даних.

Практичні застосування та поточні дослідження

Використовуючи ці вигнуті промені, дослідники сподіваються одного разу зробити бездротові мережі більш надійними навіть у багатолюдних або закритих середовищах. Це може призвести до швидшого та стабільнішого підключення до Інтернету в таких місцях, як офіси чи міста, де часто виникають перешкоди. Однак перед тим, як дійти до цього моменту, потрібно провести ще багато фундаментальних досліджень і подолати багато проблем, оскільки технологія терагерцового зв’язку все ще знаходиться в зародковому стані.

«Одне з ключових питань, яке нам задають усі, це те, наскільки ви можете вигнути і як далеко», — сказав Міттлмен. «Ми зробили приблизну оцінку цих речей, але ще не зробили кількісної оцінки, тож сподіваємося нанести це на карту».

Метод повнокольорового 3D-дисплею демонструє потенціал для покращення досвіду доповненої та віртуальної реальності. Вчені створили метод створення 3D-повнокольорових голографічних зображень за допомогою екранів смартфонів замість лазерів. Ця інноваційна техніка з додатковими вдосконаленнями має потенціал для дисплеїв доповненої або віртуальної реальності.

Незалежно від того, чи використовуються дисплеї доповненої та віртуальної реальності для ігор, освіти чи інших додатків, включення 3D-дисплеїв може створити більш реалістичний та інтерактивний досвід користувача.

«Хоча методи голографії можуть створити дуже реалістичне 3D-зображення об’єктів, традиційні підходи непрактичні, оскільки вони покладаються на лазерні джерела», — сказав керівник дослідницької групи Ріоічі Хорісакі з Токійського університету в Японії. «Лазери випромінюють когерентне світло, яким легко керувати, але вони роблять систему складною, дорогою та потенційно шкідливою для очей».

У журналі видавничої групи Optica Publishing Group Optics Letters дослідники описують свій новий метод, який базується на комп’ютерній голографії (CGH). Завдяки новому алгоритму, який вони розробили, вони змогли використовувати лише iPhone і оптичний компонент під назвою просторовий модулятор світла для відтворення кольорового 3D-зображення, яке складалося з двох голографічних шарів.

«Ми вважаємо, що цей метод зрештою може бути корисним для мінімізації оптики, зниження витрат і потенційної шкоди для очей у майбутніх візуальних інтерфейсах і 3D-дисплеях», — сказав Отоя Сігемацу, перший автор статті. «Більш конкретно, він має потенціал для підвищення продуктивності дисплеїв поблизу очей, таких як ті, що використовуються в високоякісних гарнітурах віртуальної реальності».

Більш практичний підхід

Хоча CGH використовує алгоритми для створення зображень, для відображення цих голографічних зображень зазвичай потрібне когерентне світло від лазера. У попередньому дослідженні дослідники показали, що просторово-часове некогерентне світло, випромінюване білим вбудованим світлодіодом, можна використовувати для CGH. Однак ця установка вимагала двох просторових модуляторів світла — пристроїв, які контролюють хвильові фронти світла — що непрактично через їхню вартість.

У новому дослідженні дослідники розробили менш дорогий і більш практичний некогерентний метод CGH. «Ця робота узгоджується з фокусом нашої лабораторії на обчислювальній візуалізації, дослідницькій галузі, присвяченій інноваційним оптичним системам візуалізації шляхом інтеграції оптики з інформатикою», — сказав Хорісакі. «Ми зосереджуємося на мінімізації оптичних компонентів і усуненні непрактичних вимог у звичайних оптичних системах».

Новий підхід пропускає світло від екрана через просторовий модулятор світла, який представляє кілька шарів повнокольорового 3D-зображення. Хоча це може здатися простим, це вимагало ретельного моделювання процесу некогерентного поширення світла від екрана, а потім використання цієї інформації для розробки нового алгоритму, який координував світло, що надходить від екрана пристрою, за допомогою одного просторового модулятора світла.

Голографічні зображення зі смартфона

«Голографічні дисплеї, які використовують світло з низькою когерентністю, можуть забезпечити реалістичні 3D-дисплеї, потенційно зменшуючи витрати та складність», — сказав Шігемацу. «Хоча кілька груп, включаючи нашу, продемонстрували голографічні дисплеї з використанням низькокогерентного світла, ми довели цю концепцію до крайності, використовуючи дисплей смартфона».

Щоб продемонструвати новий метод, дослідники створили двошарове оптичне відтворення повнокольорового 3D-зображення, відобразивши один голографічний шар на екрані iPhone 14 Pro, а другий — на просторовому модуляторі світла. Отримане зображення має розміри кількох міліметрів з кожного боку.

Зараз дослідники працюють над вдосконаленням технології, щоб вона могла відображати більші 3D-зображення з більшою кількістю шарів. Додаткові шари зроблять зображення більш реалістичними, покращуючи просторову роздільну здатність і дозволяючи об’єктам відображатися на різних глибинах або відстанях від глядача.