Легко бути оптимістичним щодо водню як ідеального палива. Набагато складніше вирішити абсолютно фундаментальну проблему: як це паливо ефективно зберігати? Спільні зусилля швейцарських і польських фізиків-експериментаторів і теоретиків виявили, чому попередні спроби використання гідриду магнію для зберігання водню не виправдали очікувань і чому майбутні спроби можуть бути успішними.

Водень давно розглядається як енергоносій майбутнього. Однак перш ніж це стане реальністю в енергетичному секторі, необхідно розробити ефективні методи його зберігання. Оптимальним рішенням є матеріали, вибрані таким чином, щоб при низьких витратах енергії в них можна було спочатку ввести водень, а потім відновити його за потреби, бажано в умовах, схожих на типові для нашого повсякденного середовища. Перспективним кандидатом на зберігання водню є магній.

Однак для перетворення його на гідрид магнію потрібен відповідний ефективний каталізатор, який ще не знайдено. Робота групи вчених з Empa – Швейцарської федеральної лабораторії матеріалознавства та технології в Дюбендорфі, хімічного факультету Цюріхського університету, а також Інституту ядерної фізики Польської академії наук (IFJ PAN) у Кракові показали, що причина багатьох років невдач полягала в неповному розумінні явищ, які відбуваються з магнієм під час впорскування водню.

Теоретичні та експериментальні ідеї

Основною перешкодою для використання водню як джерела енергії є складність його зберігання. У все ще рідкісних автомобілях, що працюють на водні, він зберігається в стисненому вигляді під тиском близько 700 атмосфер. Це не найдешевший і не найбезпечніший метод, і він мало пов’язаний з ефективністю: в одному кубометрі міститься лише 45 кг водню.

Цей же об’єм може вмістити 70 кг водню, якщо його попередньо сконденсувати. На жаль, процес зрідження потребує великої кількості енергії, а надзвичайно низьку температуру, близько 20 Кельвінів, необхідно підтримувати під час зберігання. Альтернативою можуть бути відповідні матеріали, наприклад, гідрид магнію, який може вмістити до 106 кг водню в кубометрі.

Гідрид магнію є одним з найпростіших матеріалів, перевірених на здатність зберігати водень. Його вміст тут може досягати 7,6% (по масі). Таким чином, пристрої з гідриду магнію досить важкі, тому в основному підходять для стаціонарного застосування. Однак важливо відзначити, що гідрид магнію є дуже безпечною речовиною і його можна без ризику зберігати, наприклад, у підвалі, а сам магній є легкодоступним і дешевим металом.

Уявлення про обмеження гідриду магнію

«Дослідження включення водню в магній тривали десятиліттями, але вони не привели до рішень, які могли б розраховувати на ширше використання», — каже професор Збігнєв Лодзяна (IFJ PAN), фізик-теоретик, який є співавтором статті. in Advanced Science , де було представлено останнє відкриття.

«Одним із джерел проблем є сам водень. Цей елемент може ефективно проникати в кристалічну структуру магнію, але тільки тоді, коли він присутній у вигляді окремих атомів. Щоб отримати його із типового молекулярного водню, потрібен досить ефективний каталізатор, щоб зробити процес міграції водню в матеріалі швидким і енергетично життєздатним. Тож усі шукали каталізатор, який відповідає вищевказаним умовам, на жаль, без особливого успіху. Сьогодні ми нарешті знаємо, чому ці спроби були приречені на провал».

Професор Лодзяна розробив нову модель термодинамічних і електронних процесів, що відбуваються в магнії в контакті з атомами водню. Модель передбачає, що під час міграції атомів водню в матеріалі утворюються локальні, термодинамічно стабільні кластери гідриду магнію. На межі між металевим магнієм і його гідридом відбуваються зміни в електронній структурі матеріалу, і саме вони відіграють значну роль у зниженні рухливості іонів водню. Іншими словами, кінетика утворення гідриду магнію в основному визначається явищами на його межі з магнієм. Цей ефект досі не враховувався в пошуках ефективних каталізаторів.

Теоретична робота професора Лодзяни доповнює експерименти, проведені в швейцарській лабораторії в Дюбендорфі. Тут досліджували міграцію атомарного водню в шарі чистого магнію, напиленого на паладій, у камері надвисокого вакууму. Вимірювальний апарат був здатний реєструвати зміни в стані кількох зовнішніх атомних шарів досліджуваного зразка, спричинені утворенням нової хімічної сполуки та пов’язаними з цим перетвореннями електронної структури матеріалу. Модель, запропонована дослідником з IFJ PAN, дозволяє нам повністю зрозуміти результати експерименту.

Досягнення швейцарсько-польської групи фізиків не тільки прокладають шлях для нових пошуків оптимального каталізатора для гідриду магнію, але й пояснюють, чому деякі з раніше знайдених каталізаторів показали вищу ефективність, ніж очікувалося.

«Є багато чого, що свідчить про те, що відсутність значного прогресу у зберіганні водню в магнію та його сполуках була просто пов’язана з нашим неповним розумінням процесів, пов’язаних із транспортуванням водню в цих матеріалах. Десятиліттями всі ми шукали кращих каталізаторів, але не там, де мали б шукати. Тепер нові теоретичні та експериментальні результати дозволяють знову з оптимізмом думати про подальші вдосконалення методів введення водню в магній», – підсумовує професор Лодзяна.

Дослідження доктора Річарда Науда в Університеті Оттави мають важливе значення для розуміння теорій навчання та пам’яті, і це може прокласти шлях для прогресу в галузі штучного інтелекту в майбутньому. Таємниці внутрішніх механізмів людського мозку повільно розкриваються, і нове важливе дослідження під керівництвом доктора Річарда Науда з медичного факультету Оттавського університету наближає нас до розв’язання глибоких питань.

Результати дослідження мають важливе значення для теорій навчання та робочої пам’яті та потенційно можуть допомогти в майбутньому розвитку штучного інтелекту (ШІ), оскільки розробники та програмісти ШІ спостерігають за роботою доктора Науда та інших провідних нейробіологів.

Опубліковане в Nature Computational Science дослідження торкається багаторівневої таємниці «варіабельності реакції» нейронів, клітин мозку, які використовують електричні сигнали та хімічні речовини для обробки інформації, і висвітлює всі чудові аспекти людської свідомості.

Отримані дані розкривають суть того, як мінливість нейронів контролюється дендритами, антеною, яка виходить із кожного нейрона, щоб отримати синаптичні вхідні дані в наших власних нейронних комунікаційних мережах. Ретельне дослідження встановлює властивості дендритів, які потужно контролюють вихідну мінливість, властивість, яка, як було показано, контролює синаптичну пластичність у мозку.

Уявлення про нейронний контроль

«Інтенсивність відповіді нейрона контролюється вхідними сигналами до його ядра, але мінливість відповіді нейрона контролюється вхідними сигналами його маленьких антен – дендритів», – каже доктор Науд, доцент кафедри медичного факультету. клітинної та молекулярної медицини та Відтавський факультет фізики. «Це дослідження більш точно встановлює, як окремі нейрони можуть мати цю важливу властивість контролювати мінливість відповіді за допомогою своїх вхідних даних».

Доктор Нод підозрював, що якщо математичну структуру, яку він використовував для опису клітинного тіла нейронів, розширити, щоб врахувати їх дендрити, то їм, можливо, пощастить ефективно моделювати мережі нейронів з активними дендритами.

Зверніть увагу на внесок Захарі Фріденбергера, доктора філософії. студент кафедри фізики та співробітник лабораторії доктора Науда, який має досвід теоретичної фізики, щоб вирішувати теоретичні завдання та математику за рекордний час. Переходимо до завершення дослідження: прогнози моделі підтверджено аналізом даних запису in vivo та спостережено за широким діапазоном параметрів моделі.

«Йому вдалося розв’язати математику за рекордний час і розв’язати низку теоретичних завдань, яких я не передбачав», — каже доктор Науд.

Доктор Науд вважав, що їхня техніка може дати розуміння реакції нейронів на змінні вхідні дані. Тож вони почали працювати над технікою, яка зможе обчислювати статистику на основі моделі нейронів з активним дендритом. Один із рецензентів роботи зазначив, що теоретичний аналіз «надає ключове розуміння біологічних обчислень і буде цікавим для широкої аудиторії обчислювальних та експериментальних нейробіологів».

Дослідники із США та Китаю визначили генетичні механізми, що лежать в основі різноманітності форм листя у рослин. Отримані дані дозволять адаптувати рослини до різних кліматичних зон та підвищити їхню врожайність шляхом управління формуванням листя на генетичному рівні.

Форма, розмір, структура і складність будови листя рослин можуть значно відрізнятися навіть у різних сортів одного виду, не кажучи вже про їхнє загальне різноманіття в природі. Спостережені відмінності виникли не випадково. Вони обумовлені необхідністю терморегуляції, керування водним режимом листя та адаптації рослин до умов навколишнього середовища, таким як вологість повітря та кількість сонячного світла. 

Різноманітність листя визначається головним чином двома факторами: складністю листа та особливостями його краю. Простий лист складається з однієї плоскої платівки, а складний з декількох простих. У свою чергу край листа може бути цілісним, зубчастим або лопатевим з різною глибиною зубців.

Щоб визначити, від чого залежить характер розвитку листя, біологи з Мерілендського університету (США) та Шеньчженьського інституту синтетичної біології (Китай) вивчили їхнє формування на прикладі лісової суниці (Fragaria vesca). Дослідники визначили два ключові регуляторні шляхи, що беруть участь у розвитку різної структури листя у трьох мутантів суниці. Результати своєї роботи вчені описали у статті, опублікованій у журналі Current Biology .

Зазвичай у суниці утворюється складне листя, що складається з трьох окремих листочків, причому край кожного з них має чітко виражені зубці. Але нещодавно було виявлено мутант з одиночним листям замість потрійних. У новому дослідженні міжнародна команда біологів ідентифікувала мутант із потрійним листям, але глибшими зубцями.

Детально вивчивши геном цих трьох варіантів суниці, вчені виявили два незалежні шляхи, за допомогою яких генетичні фактори SL1 і SALAD визначають складність і зубчастість листя відповідно. Чим більше в зачатку листа синтезується фактор SL1, тим складнішим він вийде: потрійним, п’ятірним і так далі. І навпаки, чим менше в клітинах на краю листа утворюється фактор SALAD, тим глибокі зубці виходять. Дивно, але ці два шляхи регулювання форми листя в кінці сходяться і впливають на роботу одного і того ж гена CUC2, який багато в чому відповідає за ріст і поділ рослинних клітин. 

Причому висновки біологів не обмежуються суницями і можуть застосовуватися до багатьох інших рослин. Експерименти з Arabidopsis thaliana – стандартною модельною рослиною – показав аналогічну регуляцію особливостей листа. На думку дослідників, цей зв’язок може бути використаний, щоб допомогти рослинам адаптуватися чи переносити ширший спектр умов у різних кліматичних зонах.

«Якщо ми зможемо налаштувати це регулювання, ми зможемо, наприклад, змусити рослину виробляти більше біомаси, що потенційно сприятиме збільшенню виробництва фруктів. Ми також можемо вивезти цю суницю кудись за межі її природного довкілля і розширити її адаптивність, змінивши морфологію листя. Наприклад, більше зубців означає, що вони матимуть більш високу стійкість до холоду. А ширше і гладке листя буде краще адаптоване до більш теплого клімату», — пояснили автори нового дослідження.