Laserowa mikrofuzja jądrowa

Tym razem wpis raczej fizyczny, ale ten news brzmi tak ciekawie, że warto coś o nim napisać.

Kontrolowana fuzja jądrowa już od kilku dekad wzbudza nadzieję, jako technologia produkcji energii mogąca przebić elektrownie atomowe pod względem stosunku generowanej mocy do ilości zużytego paliwa. Tym bardziej, że paliwo to jest akurat łatwo dostępne - wodór to jeden z najpospolitszych pierwiastków. Cały problem leży natomiast w kontroli - zrobienie bomby termojądrowej nie było takie znów trudne, zrobienie reaktora, w którym reakcja będzie w powtarzalny sposób następować dostatecznie długo, aby wytworzyć energię większą niż włożona, to już kłopot.
Zbudowano już różnego typu tokomaki, stellatory i inne tego rodzaju urządzenia, i na razie ciężko jest zespołom badawczym wyjść poza etap "następnym razem na pewno nam wyjdzie, tylko musimy poprawić parę szczegółów". W zasadzie tylko jeden zespół badawczy doniósł o fuzji, która wyprodukowała nieco więcej energii, niż było jej potrzebne do zapoczątkowania reakcji - badacze z NIF skompresowali kapsułkę z mieszaniną trytu i deuteru przy pomocy 192 wiązek laserowych padających na ścianki kapsułki.[1]

Z tego też powodu zainteresowanie wzbudzają nawet te czysto badawcze urządzenia, w których fuzję daje się uzyskiwać choćby na małą skalę. Znanym przykładem jest fuzja piezoelektryczna, oparta o jonizowanie deuteru w silnym polu elektrycznym wytwarzanym przez kryształy piezoelektryczne - to jest elektryzujące się statycznie podczas szybkiego ogrzewania. Fuzję daje się też uzyskać w fuzorach, gdzie naładowane jony oscylują między dwoma sferycznymi siatkami, do których przyłożono dużą różnicę napięć. Urządzenia tego rodzaju mają jak na razie za niską wydajność i mogą być raczej użyte jako źródło neutronów niż energii.

Ostatnio natknąłem się na publikację opisującą układ fuzyjny może jeszcze nie stanowiący rozwiązania w otrzymywaniu energii, ale dużo prostszy w wykonaniu i użyciu. [2]
Zespół badaczy z Colorado State University opublikował wyniki prac nad zaskakująco prostą metodą otrzymywania fuzji jądrowej. Naświetlili oni przy pomocy femtosekundowego mocnego impulsu laserowego płytkę, pokrytą "lasem" nanowłókien z deuterowanego polietylenu. Mocny impuls laserowy w zasadzie odparował włókna, zamieniając każde w rozprzestrzeniający się obłoczek wysokoenergetycznej plazmy, zawierającej deuterony. Ponieważ włókna były ustawione równolegle, blisko względem siebie, deuterony z sąsiadujących włókien zderzały się ze sobą, z sumaryczną energią wystarczającą, aby doszło do fuzji jądrowej.

Wygląd lasu nanowłókien oraz symulacja energii deuteronów.

Zaobserwowano emisję strumieni wysokoenergetycznych neutronów, o gęstości kilkaset razy większej niż obserwowane dotychczas w innych eksperymentach. Impuls laserowy o energii jednego dżula wystarczał do wytworzenia wskutek fuzji około miliona neutronów. Cały układ eksperymentalny jest dość prosty, nie wymaga stosowania silnych elektromagnesów ani nawet próżni wysokiej jakości. Na razie nie wygląda na to, aby był to sposób na wytwarzanie energii termojądrowej, ale z pewnością jest to dużo tańszy i prostszy w wykonaniu układ do badań samego zjawiska fuzji. Możliwe, że znajdzie zastosowanie jako źródło strumieni wysokoenergetycznych neutronów, nie wymagające akceleatora.

W każdym razie, bardzo ciekawe odkrycie.

-------
[1] http://www.bbc.com/news/science-environment-24429621
[2] Alden Curtis, Chase Calvi, James Tinsley, Reed Hollinger, Vural Kaymak, Alexander Pukhov, Shoujun Wang, Alex Rockwood, Yong Wang, Vyacheslav N. Shlyaptsev & Jorge J, Rocca; Micro-scale fusion in dense relativistic nanowire array plasmas, Nature Communications volume 9, Article number: 1077 (2018)

Chemiczne wieści (16.)

Galfen
Były już monoatomowe warstwy węgla (grafen), krzemu, azotku boru i tego typu materiałów, teraz czas na rzadki metal przejściowy gal.
Gal znany jest jako metal o wyjątkowo niskiej temperaturze topnienia, mogący roztopić się w dłoni; jego stopy z cyną i indem pozostają ciekłe w temperaturze pokojowej i zastępują w pewnych zastosowaniach toksyczną rtęć. Niektóre jego związki, jak azotek i arsenek znane są jako dobre półprzewodniki, mające zastosowanie w elektronice, stąd po otrzymaniu grafenu zastanawiano się nad możliwością wytwarzania podobnych warstw analogu z galem.

Stosowana w podobnych sytuacjach technika osadzania na fazie stałej nie dawała dobrych rezultatów, gal miał skłonność albo do tworzenia ciekłej fazy nieuporządkowanej albo drobnych kryształków. Trudno było też liczyć na oddzielenie warstw, jakie gal tworzy w czystych kryształach odmiany alfa, te bowiem za mocno ze sobą oddziałują. Indyjscy badacze spróbowali więc jeszcze jednej, dość zabawnej metody. Ogrzali oni gal do temperatury 29,7 °C , czyli odrobinkę ponad temperaturę topnienia. Do kropli przyłożyli podłoże, którym mógł być kwarc, grafit lub krzem, o temperaturze niewiele niższej, po czym szybko wyciągnęli. Na podłożu została warstewka galu o grubości kilku atomów.

Credit: Ajayan Research Group/Rice University

Przy czym nie polegało to po prostu na tym, że rozprowadzili na powierzchni bardzo cienką warstwę a ona już zastygła. W temperaturach bliskich topnieniu, warstwy galu były na tyle słabo związane, że nastąpiło oderwanie ich od siebie - część powstającego podczas ochładzania stałego metalu została na powierzchni  kropli, część na podłożu. Otrzymana warstwa jest lepiej związana z podłożem niż grafen i zależnie od typu podłoża wykazuje różne właściwości. [1]


Rekordowe wiązanie węglowe
Typowa długość pojedynczego wiązania C-C w związkach organicznych, wynosi 1,54 A, wiązania podwójne i potrójne są krótsze. Niedawno uzyskano związek, w którym geometria wymusza na wiązaniu, aby wyraźniej się rozciągnęło.

Credit: Ishigaki Y. et al., Chem, March 8, 2018

Badania krystalograficzne potwierdziły, że w tym prostym węglowodorze między grupami metylenowymi wiązanie ma długość 1,806 A, największą odnotowaną w stabilnym związku organicznym.[2] Rzecz dotyczy oczywiście klasycznego wiązania kowalencyjnego. W niektórych badaniach notowano dłuższe przypadki bardziej nietypowych wiązań, na przykład wiązanie dwuelektronowe-czterocentrowe w dimerze rodników tetranitryloetylenu, o długości 2,98 A.[3]

 Biopaliwo z drewna w mikrofalówce
Grupa badaczy z Chin opublikowała informacje o obiecującej metodzie syntezy lewulinianu metylu z biomasy zawierającej celulozę. Estry kwasu lewulinowego używane są jako nietoksyczne, mało lotne rozpuszczalniki oraz dodatki do paliwa, zwłaszcza diesla i biodiesla, można je otrzymać przez termiczny rozkład glukozy w warunkach odwadniających i estryfikację powstałego kwasu. Dotychczasowe przemysłowe metody używały jako katalizatorów bądź stężonego kwasu siarkowego, bądź związków metali ciężkich.

W opublikowanej metodzie konwersja celulozy (będącej przecież polimerem glukozy) dokonuje się przy pomocy siarczanu glinu z ogrzewaniem mikrofalowym, co pozwala przyspieszyć reakcję bardziej niż konwencjonalne ogrzewanie. Reakcja prowadzona jest w metanolu z dodatkiem wody, która hamuje tworzenie zesmołowanych produktów ubocznych i formację eteru dimetylowego. W najbardziej optymalnym układzie reakcja prowadzona przez 40 minut w temperaturze 180 stopni, pozwala na przekształcenie w lewulinian 70% celulozy, co oznacza, że metoda najpewniej znajdzie zastosowanie przemysłowe.[4]


Hel w ciśnieniowych solach
Po ostatnim doniesieniu o wysokociśnieniowym połączeniu helu z sodem, w którym kationy sodu i pary elektronowe utworzyły sól elektrydową z wnękami zawierającymi hel, zaczęto badać możliwość występowania innych takich "soli-nie soli". Pisałem o nich w zeszłym roku (Link).

W ostatnim doniesieniu z Nature analizuje się wyniki eksperymentów z wysokociśnieniowymi formami związków jonowych, do których wprowadzono hel. Udało się w ten sposób otrzymać połączenia MgF2-He i MgO-He.
Ściśle rzecz traktując, nie są to związki chemiczne helu, nie doszło bowiem do powstania wiązań czy przeniesienia części ładunku. Również badania rozkładu ładunku stwierdziły, że orbitale helu są jedynie nieco zdeformowane atomami wokół. Niemniej wprowadzenie dodatkowych atomów do struktury krystalicznej dość wyraźnie ją zmienia, zmianie ulega symetria sieci oraz liczba koordynacyjna jonów. Najbardziej wyraźne jest to w przypadku tlenku magnezu, który w normalnej postaci tworzy sieć krystaliczną typu halitu (F/m3m) w układzie regularnym. W formie "nahelowanej" tworzy sieć w układzie heksagonalnym (P6₃/mmc) podobnym do molibdenitu.

Oczywiście zastanawiającą sprawą jest przyczyna dla której w ogóle hel tworzy takie połączenia. Z obliczeń wynika, że hel obniża energię związaną z odpychaniem pewnych fragmentów sieci. W kryształach zawierających jeden jon o podwójnym ładunku i dwa o pojedynczym ładunku przeciwnym, w strukturze można wyróżnić linie atomów w których jon jednego rodzaju przedzielony jest dwoma drugiego rodzaju. Te dwa jony obok siebie nieco się odpychają. W warunkach wysokociśnieniowych, gdy atomy są do siebie przybliżane przez nacisk, odpychanie to nabiera znaczenia.
Włączenie w strukturę helu, który wchodzi pomiędzy pary takich samych jonów oddala od siebie te fragmenty sieci, zmniejszając energię związaną z odpychaniem, nie zmieniając natomiast pozostałych sił przyciągających w pozostałych fragmentach sieci. Zatem  w warunkach wysokiego ciśnienia, obojętna przekładka helu może być korzystna energetycznie dla stabilizacji sieci.

Badacze wskazują przy okazji, że tworzenie takich połączeń może sprzyjać wiązaniu w głębinach ziemi, w minerałach płaszcza, dużych ilości helu, w który nasza planeta może się okazać bardziej zasobna, niż to się dotychczas wydawało.[5]
-------
[1]  Vidya Kochat, Atanu Samanta, Yuan Zhang, Sanjit Bhowmick, Praveena Manimunda, Syed Asif S. Asif, Anthony Stender, Robert Vajtai, Abhishek K. Singh, Chandra S. Tiwary and Pulickel M. Ajayan; Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation, Science Advances  09 Mar 2018: Vol. 4, no. 3, e1701373 DOI: 10.1126/sciadv.1701373

[2]  Yusuke Ishigaki, Takuya Shimajiri, Takashi Takeda, Ryo Katoono, Takanori Suzuki; Longest C–C Single Bond among Neutral Hydrocarbons with a Bond Length beyond 1.8 Å, Chem.  (2018.)
[3] Novoa J. J.; Lafuente P.; Del Sesto R. E.; Miller J. S. (2001-07-02). "Exceptionally Long (2.9 Å) C–C Bonds between [TCNE]− Ions: Two-Electron, Four-Center π*–π* C–C Bonding in π-[TCNE]22−". Angewandte Chemie International Edition. 40 (13): 2540–2545
[4]  Yao-Bing Huang, Tao Yang,a Yu-Ting Lin, Ying-Zhi Zhu, Li-Cheng Li and Hui Pan, Facile and high-yield synthesis of methyl levulinate from cellulose,  Green Chem., 2018, Advance Article

[5] Zhen Liu. et. al.; Reactivity of He with ionic compounds under high pressure, Nature Communications volume 9, Article number: 951 (2018)