Реакция присоединения водорода к органическим веществам, гидрирование — одна из важнейших в химической промышленности. С ее помощью из нефти производят топливо, пластмассы, моющие средства, спирты, загустители и стабилизаторы для пищевых применений.

Для реакции гидрирования нужно разделить молекулярный водород, H₂, на атомы водорода. Этот этап — реакция диссоциации. Она протекает двумя путями: гомолитической и гетеролитической диссоциации. Для обеих реакций используют катализаторы — вещества, ускоряющие протекание реакций. Часто катализаторы — редкие и дорогие вещества: золото, медь, платина, палладий.

Исследователи разработали новую стратегию гетеролитической диссоциации H₂. Они использовали в качестве катализатора диоксид титана, содержащий наночастицы золота (Au/TiO₂), и добавили в процесс облучение ближним ультрафиолетом на длине волны 365 нанометров. Это позволило разделить водород при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале Science.

В статье химики подробно рассказывают о механизме фотохимической диссоциации водорода. Под ультрафиолетовым излучением электроны мигрируют из TiO₂ в наночастицы золота (Au), а дырки захватываются дефектами на границе раздела сред, образованными структурами Au–O–Ti. Электроны оказываются близки в пространстве и к золоту, и к дыркам. Формируются электрон-дырочные пары, а уже они стимулируют разрыв связей между атомами водорода.

Ученые выяснили, что активность диссоциации H₂ практически линейно зависела от интенсивности ультрафиолетового излучения. Это подтверждает, что именно освещение является катализатором протекания реакции при комнатной температуре.

Созданный процесс позволил ученым восстановить инертный диоксид углерода (CO₂) до этана при комнатной температуре. Более того, последующее фотокаталитическое дегидрирование этана привело к образованию этилена. Полезный выход реакции — более 99% за 1500 часов УФ-облучения. Их метод работал под солнечными лучами — в спектре излучения Солнца есть нужная длина волны ультрафиолета.

Эти результаты позволяют ученым надеяться, что их метод подойдет не только для научных целей, но и для промышленности. Они видят возможности трансформации найденной ими стратегии в масштабируемую технологию, использующую солнечный свет или фототермическое излучение, для модернизации химических производств.

Источник: https://naked-science.ru/article/chemistry/room-temp-h2-brea...

Раналли работал в Технической комиссии по реставрации в Пизе, Италия, в качестве эксперта по микробиологии, консультируя по вопросам, связанным с микроорганизмами, которые повреждают произведения искусства. В то время группа реставраторов занималась средневековыми фресками в Кампосанто Монументале в городе. Кладбище подверглось бомбардировке во время Второй мировой войны, и оригинальные гипсовые росписи были поспешно сняты кусками с помощью марли и животного клея. После десятилетий безуспешных попыток реставрации команда была полна решимости справиться с тем, что Раналли называет «невыполнимой задачей».

Когда традиционные химические методы очистки фресок оказались неэффективными — изменённые поверхности отталкивали воду, — руководитель проекта обратился к Раналли: «Но вы же, доктор Раналли, разве не можете что-нибудь сделать со своими бактериями?» — вспоминает микробиолог. — На этот, казалось бы, простой вопрос последовал такой же быстрый и незамедлительный ответ. — «Почему бы и нет!»

Фрески в Пизе были покрыты органическими веществами, объясняет Раналли. Это был основной источник питания для микробов, которые уже использовались в лабораториях по всему миру. Что вдвойне важно, неорганические вещества, из которых состоят пигменты на фресках, не представляли интереса для бактерий. Теоретически микробы могли бы избирательно потреблять и удалять органические вещества с поверхности, оставляя пигменты нетронутыми.

Аэробная бактерия Pseudomonas stutzeri, штамм A29, оказалась идеальным кандидатом. Эти организмы проросли сквозь разрушающийся животный клей на фреске Спинелло Аретино «Обращение святого Эфизио и битва» XIV века, успешно восстановив фреску, над восстановлением которой реставраторы бились десятилетиями.

Картины по всему миру постоянно покрываются грязью и копотью из-за циркуляции воздуха, а уличные инсталляции собирают на себя соль, минералы и почву. С тех пор как в 2004 году были опубликованы результаты первого проекта Camposanto Monumentale, Раналли и новое поколение исследователей расширили границы биоочистки, включив в неё больше микробов и объектов культурного наследия.

Картины по всему миру постоянно покрываются грязью и копотью из-за циркуляции воздуха, а уличные инсталляции собирают на себя соль, минералы и почву. С тех пор как в 2004 году были опубликованы результаты первого проекта Camposanto Monumentale, Раналли и новое поколение исследователей расширили границы биоочистки, включив в неё больше микробов и объектов культурного наследия.

Помимо естественного разрушения, вызванного воздействием внешних факторов, предыдущие реставрации, которые не были доведены до конца, могут стать головной болью для других проектов в будущем. Например, Сикстинскую капеллу в XVIIм и XVIIIм веках чистили с помощью вина и хлебных губок (хотя непонятно, зачем именно). Первый проект Раналли, реализованный два десятилетия назад, был связан с остатками животного клея, которые остались после мер по защите фресок. Однако со временем белки, содержащиеся в клее, разрушились, а вместе с ними почти полностью исчезла и картина.

Помимо естественного разрушения, вызванного воздействием внешних факторов, предыдущие реставрации, которые не были доведены до конца, могут стать головной болью для других проектов в будущем. Например, Сикстинскую капеллу в XVIIм и XVIIIм веках чистили с помощью вина и хлебных губок (хотя непонятно, зачем именно). Первый проект Раналли, реализованный два десятилетия назад, был связан с остатками животного клея, которые остались после мер по защите фресок. Однако со временем белки, содержащиеся в клее, разрушились, а вместе с ними почти полностью исчезла и картина.

Из-за наложения друг на друга слоёв, нанесённых в ходе реставрации, проникновение какого-либо одного химического вещества затруднено. Часто несколько загрязнений невозможно удалить с помощью одного и того же растворителя, если только это химическое вещество не настолько агрессивное, что может повредить ценный нижний слой. Кроме того, необходимо соблюдать баланс между количеством растворителя, достаточным для удаления загрязнений, и его количеством, недостаточным для повреждения произведения искусства.

Бактерии предлагают удобное решение: они похожи на крошечные точные механизмы, которые поглощают только то, что реставраторы хотят удалить. Нужно лишь выбрать подходящую бактерию.

Первый шаг — определить состав вещества на произведении искусства, которого там быть не должно. В случае с оригинальным проектом Раналли это был белок казеин, содержащийся в животном клее. В рамках других проектов удалялись все вещества, от минеральных солей до граффити, а на многих поверхностях их было несколько. Исследователи используют высокотехнологичные методы химического анализа, чтобы определить состав вещества

По словам Пилар Бош-Роиг, микробиолога и исследователя в области реставрации культурного наследия в Политехническом университете Валенсии в Испании, как только реставраторы точно определят, что именно они пытаются удалить — будь то клей животного происхождения, минеральные соли или граффити, — у них будет два способа получить подходящую бактерию.

Один из вариантов — выбор из библиотек, содержащих тысячи ранее выделенных и охарактеризованных штаммов, которые были каталогизированы другими исследователями за прошедшие годы. Например, первый выделенный Раналли Pseudomonas stutzeri, штамм A29, за два десятилетия с момента его первого применения использовался и в других случаях, связанных с липким клеем животного происхождения.

Второй вариант — позволить естественному отбору идти своим чередом. Миллиарды бактерий-кандидатов помещаются в контролируемую среду, где они конкурируют за единственный источник питания — целевое загрязняющее вещество. В течение нескольких недель выживают только те, кто может использовать целевую молекулу в качестве источника энергии. Затем бактерии проверяют, чтобы убедиться, что они не вызывают заболеваний и не распространяются за пределы поверхности, на которую были нанесены.

Независимо от метода отбора исследователи тщательно проверяют эффективность выбранной бактерии и определяют оптимальные условия для обработки. Они должны быть абсолютно уверены в том, что микробы не вступают в неожиданную реакцию с какими-либо материалами, из которых изготовлено оригинальное произведение искусства.

После того как бактерия получена, реставраторы могут нанести микробы на небольшие участки с помощью геля — сначала на одно небольшое место, чтобы проверить результат, — и оставить их на срок от нескольких часов до нескольких недель. После обработки гель удаляют, поверхность протирают, а произведение искусства проверяют, чтобы убедиться, что бактерии не остались.

Эффект может быть колоссальным. Бош-Роиг и её команда провели масштабную работу в церкви Сантос-Хуанес в Валенсии, Испания. Настенные росписи были покрыты животным клеем, оставшимся после предыдущих реставраций, из-за чего посетители не могли разглядеть фрески XIV века. Чтобы успешно удалить тёмную корку, Бош-Роиг использовала проверенное средство Раналли Pseudomonas stutzeri.

Многие люди приходили в церковь, смотрели на настенные росписи, и они были чёрными, — вспоминает она. — Теперь, после реставрации, люди возвращаются и говорят: «Ого, это было здесь?» Они никогда не видели церковь такой».

Только в этом году команда Спрокати и их коллеги-реставраторы столкнулись с серьёзной проблемой: разлагающиеся человеческие останки испачкали мрамор, вырезанный Микеланджело, в капелле Медичи во Флоренции, где похоронены многие члены семьи Медичи. Традиционными методами мрамор очистить не удалось, поэтому команда воспользовалась отсутствием посетителей во время пандемии, чтобы тщательно проверить наличие бактерий и провести столь необходимую чистку знаменитых скульптур

Но, несмотря на эти успехи, за последние два десятилетия в области биоочистки не было достигнуто значительных результатов. По словам Бош-Ройг, лишь немногие учреждения обладают необходимым сочетанием заинтересованности, потребности и финансирования для инвестирования в специализированные биологические системы. Раналли признаёт, что сфера исследований зачастую далека от реального мира реставрации произведений искусства, и подчёркивает необходимость сотрудничества между учёными и искусствоведами.

Спрокати согласна с тем, что такое партнёрство является необходимой частью процесса биоочистки. «Взаимное доверие заслуживает самого почётного места, — говорит она. — Без него невозможно было бы объединить реставрацию, изучение, анализ, знания, опыт, методы и науку, чтобы вернуть гармонию и красоту скульптурам Микеланджело».

Вероятно специально подобранные бактерии можно использовать и для очистки фасадов многоэтажных и многоквартирных домов - тех же хрущёвок, а так же исторических зданий.

Скорее всего это будет гораздо дешевле обычных способов очистки - в питательной среде бактерии размножаются сами, а для нанесения на фасад здания можно использовать приборы для механизированной покраски или дроны.

Через год после встречи исследователей NREL Мэтью Хаутцингера и Сейджа Бауэрса, посвящённой малоизученным наноматериалам, они успешно синтезировали квантовые точки из фазы Zintl на основе BaCd2P2. Эти нанокристаллы привлекают внимание яркой фотолюминесценцией, химической стабильностью и использованием доступных природных элементов.

"Мы переоценили материалы, разработанные 40-50 лет назад, чтобы найти новые неорганические кандидаты для современной оптоэлектроники", — отметил Хаутцингер. В частности, BaCd2P2 заинтересовал их оптимальной шириной запрещённой зоны, долгим временем жизни носителей и высокой устойчивостью к дефектам.

Поскольку традиционные методы получения материалов фазы Zintl непрактичны, команда провела первый синтез коллоидных квантовых точек BaCd2P2 и изучила их свойства, опубликованные в ACS Nano. Квантовые точки — нанокристаллы размером в несколько нанометров — обладают настраиваемыми оптическими и электронными характеристиками благодаря эффектам квантового удержания. Это открывает возможности для улучшения светодиодов, дисплеев, оптических волокон, солнечных панелей и биовизуализации.

Бауэрс подчеркнул, что уже при первом синтезе квантовые точки BaCd2P2 демонстрировали яркую фотолюминесценцию без специальной химической обработки, что говорит о большом потенциале материала.

Ключевым фактором стала высокая устойчивость BaCd2P2 к дефектам, предсказанная теоретически и подтверждённая экспериментально. В отличие от классических полупроводников, где требуется пассивация поверхности, этот материал легче превращается в квантовые точки без снижения качества.

Синтез осуществлялся путём быстрого введения фосфорного предшественника в нагретую смесь бария и кадмия с лигандами. Регулировка температуры позволяла контролировать размер наночастиц и их оптические свойства.

Для подтверждения структуры и состава использовались методы электронной и рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии и рентгеновской флуоресценции.

Полученные квантовые точки излучали яркий свет с квантовым выходом фотолюминесценции около 21% — показатель, достигаемый без сложной обработки и важный для промышленного применения.

Далее команда создала тонкие пленки из раствора BaCd2P2, характерные для оптоэлектронных устройств. Исследования показали гладкую поверхность без дефектов, что открывает путь к интеграции материала в реальные технологии.

"Мы упростили процесс синтеза, не потеряв контроля над свойствами материала", — отметил Бауэрс. Пленки из квантовых точек BaCd2P2 могут стать более доступной и эффективной альтернативой существующим технологиям.

Кроме того, BaCd2P2 состоит из широко распространённых элементов, что снижает риски перебоев в цепочках поставок. Команда также экспериментировала с частичной заменой кадмия на цинк для снижения токсичности, сохраняя фотолюминесцентные свойства.

"Это новое направление, и мы продолжим исследовать, как изменение состава влияет на свойства и открывает новые возможности", — добавил Бауэрс.

Таким образом, исследование квантовых точек на основе фаз Zintl, таких как BaCd2P2, открывает перспективы для развития оптоэлектроники с использованием стабильных, доступных и настраиваемых материалов.

Работа комплекса машинного зрения заключается в следующем: камера записывает видео и сжимает его, чтобы уменьшить размер для передачи данных. Затем эта информация отправляется по сети небольшими частями (пакетами) на сервер или устройство просмотра, где происходит распаковка и превращение обратно в видео. Если интернет плохой, пакеты теряются или задерживаются, а видео зависает, пропускает кадры или превращается в размытое пиксельное изображение. Особенно часто это происходит в удаленных и труднодоступных регионах со слабым покрытием сотовой связи и при использовании беспроводных сетей, где сигнал нестабилен из-за помех, расстояния или перегрузок сети. Также – если объект с машинным зрением находится в движении, например, при передаче видео с квадракоптеров или камер на транспорте.

Такие помехи могут обернуться серьезной проблемой. Например, уличные системы, которые анализируют видео с камер и помогают раскрывать преступления, отслеживать ДТП, при сбое могут не узнать лица преступников в толпе или номер угнанной машины. А в палатах интенсивной терапии при возникновении таких помех на видеозаписи можно упустить момент, когда пациент упал с кровати или перестал дышать, что чревато несвоевременным оказанием помощи.

Для борьбы с перебоями при передаче видео существуют специальные алгоритмы сжатия. Они уменьшают объем данных, сохраняя только изменения между кадрами. Например, если в объектив попадает автомобиль, который едет на неподвижном фоне, система запоминает бэкграунд один раз, а затем фиксирует лишь смещение объекта. Такие методы сокращают размер передаваемых данных, однако требуют больших вычислительных ресурсов. Поэтому они непригодны для маломощных систем, которые обычно встроены в камеры наблюдения, автономных роботов или датчики.

Ученые Пермского Политеха нашли решение этой проблемы и создали новый программный алгоритм на основе нейронной сети, который обеспечивает видеопередачу без перебоев. Его можно встроить в прошивку камер видеонаблюдения, систему управления или программное обеспечение для роботов.

– Наш алгоритм работает в три шага. Сначала программа с помощью искусственного интеллекта определяет, какой объект на видео самый важный (область интереса – ROI) и определяет его границы. Затем упаковывает эти данные с помощью современного формата сжатия – JPEG 2000. Он похож на обычный JPEG, в котором мы сохраняем картинки из интернета, но превосходит его по качеству. В процессе съемки наша система оценивает текущую скорость интернета и рассчитывает, сколько данных можно успеть передать за время показа одного кадра. Если скорость низкая, данные кадра отправляются не целиком, а только частично. Поскольку нейросеть уже определила, какой участок нужно передать, в первую очередь уходят данные о нужных объектах, даже при плохом соединении, – комментирует Андрей Кокоулин, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для проверки эффективности ученые искусственно создали ситуацию, когда из-за плохой связи передается только 10-20% видео. В ходе испытаний новая методика показала превосходство над аналогами: ключевые объекты, такие как лица или номера машин, передавались на 54–81% четче, чем в обычных системах, при этом потребляя на 40–45% меньше интернет-трафика. Общая эффективность метода на 28-32% выше традиционных решений

Важно, что разработка ученых ПНИПУ не требует больших вычислительных мощностей и позволяет стабильно передавать изображение в условиях нестабильного интернета. Это обеспечит надежную работу камер, квадрокоптеров, промышленных роботов даже при нестабильном интернете. Это также будет полезно для систем видеонаблюдения в МЧС, геологоразведки или сельского хозяйства, где часто бывают проблемы со связью. Внедрение этой технологии позволит повысить отказоустойчивость и расширить географию применения систем компьютерного зрения, сделав передовые технологии более доступными и надежными.