Подборка новостей науки за неделю: переизобретение ламп накаливания, недостающий этап развития глаз и опять про графен⁠⁠

💡 Каждую неделю мы отбираем несколько самых интересных, на наш взгляд, новостей из мира науки. В новом выпуске: можно ли переизобрести лампу накаливания, как работает самоочищение атмосферы и какая здесь связь с азотными удобрениями, чего не хватало для развития глаза и чем опять удивил графен.

(все ссылки на пруфы и исследования под роликом на ютубе. Короткая текстовая версия ниже)

Содержание ролика:
00:05 Китайская лампа накаливания

01:59 Учёные выяснили механизм самоочищения атмосферы

04:00 Химики смогут заменить столетний процесс производства удобрений

05:26 Найден ключевой этап развития глаз

07:40 Графен проявил новые удивительные свойства

09:57 Лучшая новость предыдущего выпуска

Лампа накаливания переизобретена

Китайские учёные придумали как вместо привычных недолговечных ламп со спиралью в инертном газе использовать улучшенные. Для этого вместо вольфрамовой спирали будет двойная спираль, один слой из углеродных нанотрубок, а второй из нитрида бора. Чёрный и белый излучатели. Работают они по-старому на принципе накаливания. Поместить спираль надо не в стеклянный контейнер, а в керамический резонатор, но оставить кварцевое окно для испускания фотонов, причём только в видимом спектре, а инфракрасное и ультрафиолетовое излучение отражается назад и рециркулируется. То есть чёрный излучатель поглощает эти спектры, а при этом сам он излучает с коэффициентом, близким к единице. Внутри устройства образуется в итоге контур рециркуляции фотонов, а потери на рассеяние энергии становятся минимальными.

Называется эта вещь «устройство освещения с рециркуляцией фотонов на принципе накаливания». КПД у него выше 25%, эффективность в полтора раза лучше, чем у светодиодок, при этом и срок службы раза в 3 выше, чем у них. И при этом хорошие индексы цветопередачи.

Учёные выяснили механизм самоочищения атмосферы

Несмотря на то, что мы выбрасываем умопомрачительное количество вредных веществ в атмосферу, у неё есть механизм для самоочищения. Тонны диоксида серы, оксидов азота, углерода, углеводородов, аммиака, фтористого водорода и ещё десятков наименований приводят к гибели миллионов людей ежегодно. Но в воздухе есть свой герой - гидроксид. Он очень высокоактивен и поэтому живёт мало. Зато он успевает прореагировать с частью этих вредных соединений, связать их и убрать из атмосферы.

Вопрос ранее заключался в том, а откуда этот гидроксид-ион появляется в атмосфере? Химики считали, что катализатором для его образования из атомов водорода и кислорода должен служить солнечный свет. Такие реакции не редкость в лабораториях. Или ещё более экзотически - какие-нибудь тяжелые металлы выступают катализаторами. Но всё оказалось гораздо проще.

Эксперименты учёных показали, что свет для реакции образования гидроксида вообще не нужен, реакция проходит и в темноте. Для этого они собрали вот такие установки с обычной водой, которые помещали на свет и в темноту, а из некоторых даже откачали воздух. Также в установки добавили флуоресцентные вещества, которые указывали на старт спонтанных реакций образования гидроксида. В итоге что на свету, что в темноте реакции протекали одинаково, в темноте даже чуть активнее. А вот без воздуха образование гидроксид-ионов сильно замедлилось.

Однозначно сказать сложно, но похоже, что в промежутке между воздухом и водой сильное электрическое поле способствует выделению гидроксида. А так как такое состояние встречается везде, нужны только капли воды чтобы избавиться от всех этих углеводородов, то это действительно хорошая новость для нас. Надо подумать, можно ли активизировать эти процессы.

Химики смогут заменить столетний процесс производства удобрений

Вы же в курсе, что аммиак, который требуется всему миру для производства удобрений, производят вот уже 100 лет одним и тем же способом, при помощи процесса Габера-Боша, который очень энергозатратен. Суть заключается в реакции азота с водородом в присутствии катализатора при давлении в несколько сотен атмосфер и высокой температуре. Затем из аммиака делают азотные удобрения, которые в общем и целом помогли населению вырасти с тех пор на 4 миллиарда.

И наконец-то тут наметился сдвиг. Оказалось, что есть процесс, при котором аммиак может образовываться из азота и воды без ресурсоёмкого нагревания и даже без водорода, который для Габера-Боша тоже нужно специально выделять.

Правда, давление в 80 бар для этого процесса всё ещё нужно. Для реакции нужны микрокапли воды, распылённые в азоте. При прохождении взвеси через катализатор получался положительно заряжённый гидратированный ион аммония, а далее и аммиак. А соль опять же, скорее всего в том, что эта реакция связана с тем, что на микрокаплях, там где воздух встречается с водой, быстрее идут реакции одноэлектронного переноса.

Что мне очень напомнило про гидроксид в атмосфере. Так что удобрения можно будет производить проще, с меньшим углеродным следом. А нам того и надо.

Найден ключевой этап развития глаз

Думается, что очень многие слышали от креационистов что-то вроде "Посмотри на свои глаза! Как мог такой сложный орган сформироваться самостоятельно?"

Справедливости ради, с тех пор, как мы выяснили, что своим появлением человек обязан эволюции, проблема объяснения того, как глазное яблоко могло возникнуть в этом неупорядоченном процессе, оставалась нерешённой.

Говорят, что сам Чарльз Дарвин был озадачен. Но недавнее исследование, кажется, всё же поможет разрешить все сомнения. Хотя есть ли хоть один факт, который креационисты не смогут интерпретировать в свою пользу?

Всё началось с идеи, что зрение позвоночных могло начаться с использования генов светочувствительности, характерных для бактерий, и, собственно, от них же и полученным. Тогда учёные отобрали в качестве кандидатов в потомки таких бактериальных генов ряд человеческих генов и скормили их программе IQ-TREE.

Она умеет находить схожие генетические последовательности. Сравнение производили с генами разных существ, но в основном с бактериями. Один из человеческих генов, IRBP, подходил под выдвинутую теорию.

IRBP кодирует одноимённый белок, который в человеческих глазах отвечает за конвертацию света в электрические импульсы, они далее поступают в мозг по зрительному нерву. Но он работает не только у человека, а вообще является важной частью зрения позвоночных.

Наличие такого гена и белка у позвоночных вполне понятно, мы тут в основном с ними родственники. Но также аналог IRBP встречается и у бактерий, как показал поиск по генетической базе.

У бактерий он встречался в основном в бактериальной пептидазе, это такие ферменты, которые умеют утилизировать белки. Филогенетическая реконструкция показала, что белки IRBP позвоночных все происходят из довольно древних бактериальных белков, возрастом около 500 миллионов лет.

А вот у беспозвоночных такого гена в основном не существует. То есть полмиллиарда лет назад случился горизонтальный перенос этого гена между доменами, от бактерии к древнему позвоночному, что в итоге привело к развитию светочувствительности и возможности читать и смотреть QWERTY при помощи глаз.

Графен проявил новые удивительные свойства

Мы думали, что узнали о всех возможностях графена. Изучили его до последний детали за последние 2 десятилетия. Исчерпали золотую жилу. Ни черта подобного. Начну издалека. Есть ценный тип материалов - они меняют свою электропроводность под воздействием магнитного поля.

Самые простые примеры, где они нужны, - это датчики в смартфонах, автомобилях, компьютерах. Такие материалы достаточно редки. БОльшая часть металлов и полупроводников меняют своё сопротивление в магнитных полях буквально на миллионные доли процента. Чтобы наблюдать магнитосопротивление в более значительных масштабах, материалы обычно охлаждают чем-то вроде жидкого гелия, это помогает снизить рассеяние электронов.

И, как сказал один из учёных, все охлаждали-охлаждали разные материалы, потому что так обычно обнаруживаются разные интересные свойства, а мы решили нагреть. Речь о графене. Нагрев превратил его в нечто совершенно особенное.

Команда учёные под руководством сэра Андрея Гейма, нобелевского лауреата за открытие графена, настроила высококачественный графен так, чтобы носители заряда в нём возбуждались только благодаря изменению температуры. Так образовалась плазма из быстро-движущихся Дираковских фермионов, дираковская плазма.

У неё была высокая подвижность, несмотря на высокое рассеяние. И хотя она была не должна, но она демонстрировала свойства, требующиеся для явления под названием гигантское магнитосопротивление. Настолько гигантское, что электрическое сопротивление материала менялось на сотни процентов в стандартных магнитных полях. Но и это не всё.

При повышенных температурах нейтральный графен повёл себя как "странный металл". Это настоящий термин. Он означает, что в материале имеется быстрое рассеяние электронов, которое определяется только лишь принципом неопределённости Гейзенберга. Откровенно говоря, поведение странных металлов нам неясно и представляет собой научную загадку.

Собственно, и линейное магнитосопротивление в магнитных полях выше пары Тесла, которое слабо зависит от температуры, тоже довольно загадочно. И вероятно, открытие рекордного магнитосопротивления в графене поможет решить эту загадку. И кстати, если бы не только охлаждали, но и нагревали, то обнаружили бы это явление лет 10 назад.