ФизикаХимия

Суперабсорбция доказана, на шаг ближе к квантовой батарее!

Возможность устойчивой и сверхбыстрой зарядки устройства энергией с помощью квантовых батарей больше не является несбыточной мечтой. Эта концепция была впервые доказана и еще на один шаг приблизила нас к созданию таких супербатарей. Исследователи из Университета Аделаиды в Австралии работали над теорией в течение многих лет и смогли понять, что благодаря явлению "суперабсорбции", которое им удалось продемонстрировать, чем больше квантовая батарея, тем быстрее она заряжается.

Литий-ионная технология уже почти достигла своего предела, и многие ученые считают, что она стареет. Разрыв в сроке службы батарей и их износе может стать очень проблематичным в ближайшем будущем, поскольку глобальные технологии развиваются, а спрос на энергию растет (причем экспоненциально).

Доктор Джеймс Куач, один из авторов исследования, несколько лет назад предположил, что если квантовая батарея будет разработана, то теоретически она сможет заряжаться за одну секунду. Это стало бы огромной революцией в мире постоянного спроса на энергию.

Преимущества суперабсорбции

Чтобы удовлетворить растущий спрос на энергию, многие исследователи сосредоточились на потенциальной разработке квантовых батарей. Исследователи из Университета Аделаиды основали свою теорию на принципе молекулярной запутанности и сцепления. Это явление, при котором два квантово запутанных объекта обмениваются своими свойствами независимо от расстояния между ними.

Таким образом, благодаря этому принципу молекулы могут активироваться вместе и генерировать эффект суперабсорбции. Теоретически, чем больше они таким образом связаны и многочисленны, тем больше их мощность. В некоторой степени это можно сравнить со светопоглощающей способностью материала x или y. Что делает это парадоксальным, потому что чем больше батарея, тем быстрее она будет заряжаться. Не вызывает сомнений то, что это будет большим преимуществом при их крупномасштабном применении.

Диаграмма, резюмирующая принцип кольцевого квантового сверхпоглощения. Фотоны, поглощаемые кольцом сверхпоглощения, образуют делокализованные экситоны. В идеале кольцо поддерживает определенную популяцию экситонов для достижения повышенного поглощения.

"Сверхпоглощение — это квантовый коллективный эффект, при котором переходы между состояниями молекул конструктивно интерферируют", — объясняет Куах в своем заявлении. "Конструктивная интерференция возникает во всех видах волн (свет, звук, волны на воде) и возникает, когда разные волны объединяются, чтобы дать больший эффект, чем любая волна по отдельности. По сути, это позволяет объединенным молекулам поглощать свет более эффективно, чем если бы каждая молекула действовала по отдельности".

До сих пор сверхпоглощение никогда не было доказано в достаточно больших масштабах, чтобы можно было рассматривать конструкцию квантовой батареи как таковую. Но австралийские исследователи совершили подвиг со своим тестовым устройством.

В одном из экспериментов они нанесли активный слой фотопоглощающих молекул в микрополость между двумя зеркалами. Молекулы состояли из красителя под названием Lumogen-F Orange. Зеркала, в свою очередь, были разработаны с использованием стандартного метода изготовления высококачественных зеркал. В этой конструкции диэлектрические материалы (в данном случае диоксид кремния и пентоксид ниобия) используются для создания "распределенного брэгговского отражателя". В итоге получается зеркало, которое отражает гораздо больше света, чем обычное зеркало. Это полезно для захвата света внутри полости как можно дольше.

Схема устройства, использованного в эксперименте.

Затем команда использовала сверхбыструю спектроскопию переходного поглощения для измерения того, как молекулы накапливают энергию и как быстро заряжается все устройство. Затем было продемонстрировано, что чем больше размер микрополости и количество молекул увеличивались, тем больше уменьшалось время зарядки. Это называется суперабсорбцией.

Квантовая батарея может найти множество областей применения. Доказательство теории на пути к ее реализации — еще один шаг к этой цели. Возможно, когда-нибудь они смогут питать электромобили со сверхбыстрой зарядкой (несколько секунд для полной зарядки) или использоваться для хранения энергии с колебаниями потока, например, от возобновляемых источников.

Но "главная задача заключается в том, чтобы преодолеть разрыв между доказательством принципа работы небольшого устройства и использованием тех же идей в более крупных, пригодных для использования устройствах", — объясняет доктор Куач. Поэтому следующие шаги будут направлены на изучение того, как этот эксперимент может быть совмещен с другими способами хранения и передачи энергии.

Подписывайтесь на нас
Back to top button