катод

В полярных кратерах Луны, куда никогда не заглядывает Солнце, реголит может десятилетиями копить электрический заряд, спрятанный на глубине. Это как счёт в банке, где приход и остаток не совпадают: частица отдаёт энергию, но заряд не всегда остаётся на месте.

Река раздваивается. Один рукав — широкий и быстрый, вода в нём течёт плавно, но с повышением температуры течение замедляется: появляются водовороты и волны. Второй рукав — узкий, с порогами, где вода перепрыгивает с камня на камень. Этот поток, наоборот, с прогревом становится живее.

В кристалле электроны распределены не как попало. Их волны подчиняются симметрии решётки — как рябь на воде приобретает форму брошенного в неё обруча. Новая работа показывает: в точках высокой симметрии эта рябь обязана иметь узлы — места, где электронная плотность строго равна нулю.

Любая батарейка — от пальчиковой до квантовой — устроена просто: есть запас энергии, и есть способ её достать. В квантовом мире этот «способ» выглядит как аккуратное переключение между состояниями частицы, похожее на перекладывание шарика с высокой полки на низкую.

Пьезоэлектрические кристаллы, закреплённые снаружи и внутри металлической стенки, образуют невидимый энергетический канал. Внешний кристалл, получив переменный электрический ток, начинает вибрировать — его механические колебания, словно рябь на воде, разбегаются по металлу во все стороны.

Отработавшие свой срок аккумуляторы электромобилей ведут себя подобно капризным музыкантам: одна ячейка отдаёт ток «громче», другая — «тише», третья неожиданно «расстраивается» из-за повышенного саморазряда. Если собрать из них батарею наобум, получится какофония: одни ячейки перегружаются, другие простаивают, и система быстро выходит из строя.

Литиевая батарейка похожа на крошечный город: ионы лития — жители, которые переезжают между районами-электродами, создавая ток. Но чтобы понять, сколько энергии город может отдать, нужно знать не только планировку улиц (структуру материала), но и как жители взаимодействуют с соседями, транспортом и даже погодой.

В алмазных квантовых устройствах есть крошечный дефект — азотно-вакансионный центр (атом азота плюс пустота вместо атома углерода). Он работает как переключатель, который самопроизвольно щёлкает туда-сюда: может нести лишний электрон или не нести, и от этого зависит, светится он или нет. Но стоит рядом оказаться примеси азота — и переключатель начинает жить своей жизнью.

Старение батареи похоже на усталость металла: трещина зреет внутри задолго до того, как деталь сломается. Обычно о проблеме узнают, когда ёмкость падает ниже 80% — но к тому моменту повреждения уже необратимы.

Квантовые батареи эксплуатируют квантовые эффекты, чтобы преодолевать ограничения классических устройств, связанные с энтропией — мерой беспорядка и неизбежных потерь энергии. Представьте ведро под мощной струёй: наполнение идёт стремительно. Но ведро дырявое: окружающая среда постоянно высасывает энергию.

Квантовая батарея — не ящик с химией, а цепочка крошечных магнитиков (спинов), способная запасать энергию. Её главная хитрость: заряжать сразу много частиц одновременно, используя их квантовую запутанность. Но есть подвох — не всякая запутанность подходит.

Представьте большой липкий мяч, брошенный на пыльную полку: он отскочит и поднимет облако пыли. Но если его медленно прокатить — он соберёт каждую соринку. Именно так ведут себя ридберговские экситоны — гигантские квазичастицы в кристалле, названные в честь Йоханнеса Ридберга, чьи работы легли в основу понимания высоковозбуждённых состояний.

Обычная батарея в телефоне дышит — но не воздухом, а контактом. Внутри твёрдого тела, где нет жидкостей, литий при зарядке прижимается к электролиту (веществу, проводящему ионы), а при разрядке отходит, словно лёгкое на вдохе и выдохе. Это «дыхание» — не поэзия, а физика: каждый цикл рождает и убивает точки касания, через которые идёт ток.

Литий-ионная батарея похожа на многоэтажный дом, где на каждом этаже живут ионы лития. Когда батарею заряжают, ионы переезжают с этажа на этаж, и весь дом немного нагревается. Обычно это тепло уходит равномерно, как от тёплого пола. Но иногда в одном месте становится слишком жарко — и тогда весь дом может вспыхнуть.

Литиевая батарея похожа на бутерброд: два куска хлеба — электроды, а между ними начинка — электролит, через который ионы лития бегают туда-сюда. В обычных батареях начинка жидкая, как соус, и может протечь или загореться. В твёрдотельных батареях начинка — как ломтик сыра: он не течёт, но важно, чтобы он не крошился и не вступал в реакцию с хлебом.

Вода, расщеплённая электричеством на водород и кислород, — давняя мечта о чистом топливе. Но на пути встают крошечные пузырьки газа: они облепляют электроды, как пена на стенках стакана с газировкой, и мешают току делать свою работу. Каждый такой пузырёк — это крошечная пробка, блокирующая часть поверхности, где должна идти реакция.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

Металлическая нить толщиной с волос прорастает сквозь керамику, как корень сквозь асфальт. В твердотельных батареях такие нити называют дендритами, и они появляются, когда ток при зарядке превышает критический порог. Керамический электролит — твёрдый, но хрупкий, как стекло.

Солнечная батарея — как сердце: если заставить её биться в неправильном ритме, она быстро устаёт. Обычно элементы проверяют, подавая обратное напряжение, но в реальной жизни тень от листа или птицы заставляет соседние ячейки пропускать через себя чужой ток. Авторы новой работы впервые детально изучили, что происходит, когда через перовскитный элемент гонят постоянный обратный ток.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

Крошечная стеклянная сфера парит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Внутри неё — радиоактивный свинец, который время от времени распадается. Каждый распад выбрасывает заряженные частицы, и сфера теряет или приобретает крошечный электрический заряд.

Квантовая батарея функционирует подобно губке, которая впитывает свет, но не отдаёт его без принудительного отжима. Источником вдохновения стали природные светособирающие комплексы бактерий: захватывая солнечные фотоны, они, как установлено методами спектроскопии, передают энергию практически без потерь.

Литиевая батарея похожа на дом с кладовкой: при зарядке литий заходит внутрь, при разрядке выходит. Но если кладовка захламляется, часть лития остаётся внутри навсегда. От того, из какого металла сделаны стенки кладовки, зависит, сколько лития вернётся. Авторы работы взяли четыре металла: алюминий, магний, серебро и медь. Каждый впитывает литий по-своему.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

В обычной лампочке свет рождается, когда электрон и дырка встречаются. В новом материале их намеренно разводят в стороны, как будто ставят между ними турникет на станции метро. Этот турникет — встроенное электрическое поле, которое появляется из-за того, что атомы серы и селена в кристалле сидят несимметрично: сера сверху, селен снизу.

В обычной батарее есть два электрода — анод и катод. В твердотельных аккумуляторах (где электролит твёрдый, а не жидкий) инженеры стремятся исключить анод как отдельную деталь: тогда батарея становится легче и может запасти больше энергии.

Квантовая батарея — это устройство, которое запасает энергию в квантовых состояниях частиц. В новой работе батарею моделировали парой кубитов — мельчайших носителей информации, способных быть в состоянии «ноль», «единица» или в их смеси.

Марганец — это кирпичики в стене, а цинк — гость, который приходит и втискивается между ними. Если гость садится неудобно, он выталкивает кирпичик из кладки. Примерно это происходит в цинк-ионной батарее: при разрядке ионы цинка встраиваются в кристаллическую решётку оксида марганца, и марганец начинает вымываться в раствор.

Старую футболку растворили в щёлочи, получили гель — и он стал сердцем накопителя энергии. Второй компонент сделали из хитозана, вещества из панцирей креветок. Никаких металлов: только переработанный хлопок и морепродукты. Гель пропитали солью аммония, и его проводимость выросла почти вдвое: с 17,1 до 37,8 миллисименс на сантиметр.

Натрий — сосед лития по таблице Менделеева, но его в земной коре в сотни раз больше, и он гораздо дешевле. Поэтому натриевые батареи могли бы заменить литиевые в электромобилях и накопителях энергии. Проблема в том, что натрий крупнее лития, и ему труднее пробираться сквозь кристаллическую решётку катода. Материал быстро устаёт, ёмкость падает.

Терагерцовое излучение лежит между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит сквозь одежду, бумагу и пластик, но не сквозь металл и воду. Поэтому его используют в сканерах безопасности и медицинской визуализации. Чтобы увидеть поляризацию такого излучения, нужен детектор.

Капля воды бежит по листу таро, как по натёртому полу. Она не просто скользит — она накапливает электричество. Тридцать лет назад учёные объяснили, почему листья лотоса не намокают: их поверхность покрыта микроскопическими бугорками, между которыми застревает воздух. Но теперь выяснилось, что у воды на листьях есть ещё одна, скрытая сила.

В химии есть два мира: в одном катализатор — твёрдая частица, на которой реакция идёт на поверхности; в другом — растворённая молекула, где всё происходит вокруг одного металлического центра. Эти миры редко встречаются. Но в новой работе они сошлись.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

Копилка, в которую монеты падают легко, а достать их можно только разбив её. Нечто похожее происходит с новым материалом для натриевых батарей. Он охотно принимает ионы натрия при зарядке, но при разрядке почти ничего не отдаёт. Материал с формулой Na4NiCr(PO4)3 относится к семейству NASICON — это каркасные структуры, где ионы натрия могут путешествовать по трёхмерной сети каналов.

Кусочек хрома на воздухе за минуту покрывается невидимой бронёй — оксидной плёнкой. Она защищает металл от ржавчины, но для батареи это беда: плёнка не пропускает ионы хрома, и ток не идёт. Учёные смешали пять металлов — хром, висмут, медь, олово и никель. Получился сплав, в котором при окислении образуется не сплошная броня, а мозаика из разных оксидов.

Квантовые батареи, как и любые системы, подвержены действию энтропии — фундаментального стремления к беспорядку, которое проявляется в потерях энергии. Представьте параллельные провода, наводящие друг на друга паразитные сигналы: аналогично контакты батареи с окружением создают нежелательные каналы утечки.

Квантовая батарея — это не ящик с электролитом, а горстка атомов или сверхпроводящих контуров, запасённая в возбуждённых состояниях. Зарядить её можно за доли секунды, используя коллективные квантовые эффекты. Но стоит батарее оказаться в реальном мире, как энергия начинает утекать в тепло: эрготропия — максимальная работа, извлекаемая из квантового состояния, — необратимо рассеивается.