Platining

Датчик отслеживает тяжесть заболевания Ученые разработали прототип датчика, который может помочь врачам быстро измерять уровни аденозинтрифосфата (АТФ) и лактата в образцах крови пациентов, помогая быстро оценить тяжесть некоторых заболеваний. АТФ — это молекула, присутствующая в каждой живой клетке, которая хранит и переносит энергию. В эритроцитах АТФ вырабатывается биохимическим путем, называемым путем Эмбдена-Мейергофа. Тяжелые заболевания, такие как полиорганная недостаточность, сепсис и грипп, снижают количество АТФ, вырабатываемого эритроцитами. Таким образом, тяжесть этих заболеваний можно оценить путем мониторинга количества АТФ и лактатов в крови пациента. Университета Токусима предложили шкалу энергетического риска АТФ-лактата (A-LES) для измерения уровней АТФ и лактата в крови для оценки тяжести острого гриппа у пациентов. Однако нынешние методы измерения этих уровней и другие подходы к измерению тяжести заболевания могут быть громоздкими, длительными или недостаточно чувствительными. Ученые университета Хоккайдо и университета Токусима разработали биосенсор, который может определять уровни АТФ и лактата в крови с очень высокой чувствительностью всего за пять минут. Процесс прост - химические вещества добавляются в образец крови для извлечения АТФ из эритроцитов, затем добавляются ферменты и субстраты для преобразования АТФ и лактата в один и тот же продукт, который можно обнаружить с помощью специально модифицированных электродов на сенсорном чипе. Интенсивность тока, генерируемого на электродах, зависит от количества побочного продукта, присутствующего в образце. Команда провела параллельные тесты и обнаружила, что другие компоненты, присутствующие в крови, такие как аскорбиновая кислота, пировиноградная кислота, аденозиндифосфат (АДФ), и ионы калия, не влияют на способность электродов точно определять АТФ и лактат. Далее исследователи стремятся еще больше упростить процесс измерения, интегрировав метод извлечения АТФ в сам чип. Они также планируют сделать свою сенсорную систему еще более компактной.

Программирование pH: новая технология может ускорить синтез ДНК pH — концентрация протонов в водном растворе — показывает, насколько кислым является раствор. Он регулирует широкий спектр природных и искусственных химических процессов, включая синтез последовательностей ДНК для применения в биотехнологии. Равномерное изменение pH во всем водном растворе является стандартной практикой в химии. Но что, если исследователи смогут создать массив локализованных областей pH, где протоны концентрируются более интенсивно, чем в других частях раствора? Это позволило бы им проводить химию с регулируемым pH в каждом из этих мест параллельно, значительно увеличивая экспериментальную производительность и ускоряя процессы синтеза ДНК, что находит применение в геномике, синтетической биологии, разработке вакцин и других методах лечения, а также в хранении данных. Но локализация pH является сложной задачей, поскольку протоны быстро распространяются в растворе на водной основе. Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с исследователями из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, а также биотехнологической компании DNA Script, разработали метод контроля pH на локальном уровне, создавая плотный массив микросайтов, где количество протонов в 100–1000 раз превышает среднее значение в остальной части раствора. Это стало возможным благодаря множеству электрохимических ячеек микрометрового масштаба с уникальной геометрией, изготовленных на полупроводниковой интегральной схеме и управляемых ею. Полупроводниковый чип с 256 электрохимическими ячейками на поверхности напрямую связан с водным раствором молекул хинона. Каждая ячейка выглядит как «яблочко» с двумя концентрическими металлическими кольцами. Внутреннее кольцо подает ток в раствор для электрохимического образования протонов из молекул хинона. Эти локально генерируемые протоны пытаются распространиться, но нейтрализуются вблизи внешнего кольца, которое электрохимически производит основные молекулы из молекул хинона, вытягивая ток из раствора. Таким образом, локально генерируемые протоны задерживаются в центре «яблочка» и вокруг него, создавая кислую микросреду с пониженным pH. По сути, в каждой активированной электрохимической ячейке создали электрохимическую стенку, используя внешнее кольцо, через которую не может проникнуть кислота. Поскольку каждая ячейка контролируется независимо базовым полупроводниковым чипом, мы можем снизить pH в любом произвольном подмножестве из 256 электрохимических ячеек, которые мы выбираем для активации. Уникальная структура ячейки, которую мы разработали на полупроводниковом электронном чипе, позволяет осуществлять пространственно-селективное программирование pH. Устройство может не только локализовать и точно настраивать pH, регулируя токи концентрических колец каждой электрохимической ячейки, но также может контролировать pH в реальном времени с помощью встроенных датчиков pH, распределенных по массиву электрохимических ячеек. Поэтому мы можем создать любую пространственную структуру целевых значений pH или топографию pH в водном растворе, используя обратную связь в реальном времени от карты пространственной структуры pH. Манипуляции с пространственными структурами pH в водных средах могут привести к высокопроизводительному ферментативному синтезу ДНК с множеством биотехнологических приложений, от белковой инженерии и скрининга антител до хранения информации ДНК.

Искусственный лист, улавливающий углекислый газ Инженеры Иллинойского университета в Чикаго создали экономичный искусственный лист, который может улавливать углекислый газ в 100 раз лучше, чем нынешние системы. В отличие от других систем улавливания углерода, которые работают в лабораториях с чистым диоксидом углерода из резервуаров под давлением, этот искусственный лист работает в реальном мире. Он улавливает углекислый газ из более разбавленных источников, таких как воздух и дымовые газы, вырабатываемые угольными электростанциями, и высвобождает его для использования в качестве топлива и других материалов. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку с разделенными мембранной анодным и катодным пространством. В катодном пространстве используется органический растворитель, который улавливает диоксид водорода, переводя его в бикарбонат. По мере накопления бикарбоната отрицательные заряженные ионы проходят через мембрану в анодное пространство с водным растворителем. В анодном пространстве бикарбонат восстанавливается до углекислого газа, который можно собирать и в дальнейшем использовать. Когда ученые протестировали систему обнаружили, что она имеет очень высокий поток — скорость улавливания углерода по сравнению с площадью поверхности, необходимой для реакций — 3,3 миллимоля в час на 4 квадратные сантиметры. Это более чем в 100 раз лучше, чем у других систем, хотя для питания реакции требовалось лишь умеренное количество электроэнергии (0,4 кДж/час), меньше, чем количество энергии, необходимое для светодиодной лампочки мощностью 1 Вт. Устройство можно сделать модульным и использовать дома и в классах, а не только в промышленных организациях. Небольшой модуль размером с домашний увлажнитель воздуха может удалять более 1 килограмма CO2 в день, а четыре промышленные электродиализные установки могут улавливать более 300 килограммов CO2 в час из дымовых газов.

Окислительно-восстановительный цикл в электрохимических ячейках с нанозазорами Электрохимическая ячейка с нанозазором создается путем точного разделения двух рабочих электродов слоем электролита шириной 10–100 нм. Потенциал каждого электрода контролируется независимо по отношению к электроду сравнения в объемном растворе (т.е., вне нанозазора) и ток на каждом электроде измеряется отдельно. Обычно электрохимические ячейки с нанозазором работают в конфигурации генерации/сбора, где один электрод удерживается под окислительным потенциалом, а второй электрод — с восстановительным потенциалом, что позволяет соединениям окисляться на одном электроде и транспортироваться через наноразмерный зазор между электродами (за счет сочетания диффузии, миграции и конвекции), а затем уменьшаться на втором электроде. Нанозазор улавливает редокс-частицы и позволяет частицам неоднократно циклически перемещаться между двумя электродами, что приводит к значительному усилению электрохимического процесса. Недавние разработки в производстве устройств, используя либо методы нанолитографии, либо методы сканирующей электрохимической микроскопии, позволили создавать зазоры длиной в десятки нанометров. Разработка электрохимической ячейки с нанощелями предоставила возможность исследовать электрохимию одиночных молекул и влияние двойного слоя на молекулярный транспорт на заряженных границах раздела. Электрохимическая ячейка с нанозазором также обеспечивает интересную конфигурацию для приложений электроаналитического зондирования. Недавним инновационным применением электрохимических ячеек с нанозазорами является исследование двойных электрических слоев. Электрохимические ячейки с нанозазором шириной менее 100 нм представляют собой мощный инструмент для наноэлектрохимических измерений.

Объединение возможностей электрохимии и проточной технологии Электрохимия занимается изучением связи между электрическими и химическими процессами. Эти явления всегда имеют место на границе раздела двух проводников — электролита и электрода. Сочетание электрохимии и проточной технологии открывает большие перспективы для устойчивого производства ценных химических веществ, таких как сырье биологического происхождения. В сочетании с проточной технологией (которая занимается динамикой жидкостей) электрохимия обеспечивает еще больший контроль над условиями реакции. Однако реализация электрохимических реакций в потоке гораздо сложнее, чем просто закачивание реакционной смеси в электролизер. В своей диссертации учёный китайского происхождения исследовал проточный электрохимический органический синтез, уделив особое внимание так называемым микрореакторам непрерывного действия, которые можно использовать для переработки сырья биологического происхождения. Его исследования включали несколько этапов: от проектирования и проверки электрохимического микропоточного реактора, электрохимического преобразования фурфурола (типичного химического вещества биологического происхождения) в ценные химические вещества в потоке до преобразования и ускорения двухфазных электрохимических реакций газ-жидкость в микропоточный реактор и численный анализ режима течения жидкость-жидкость. Одной из проблем, с которыми Цао столкнулся в своих исследованиях, было засорение каналов, которое, по его словам, продолжает оставаться ахиллесовой пятой микрореакторной технологии. Решение этих проблем, несомненно, требует совместных усилий инженеров-химиков. Прогресс в этих аспектах увеличит полезность технологии проточных реакторов и раздвинет границы синтетической органической электрохимии. 

Электрохимическое отделение изотопов углерода Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Изотопы одного и того же химического элемента ведут себя в химических реакциях одинаково, но могут иметь несколько разные физические свойства и разную массу. Стабильные изотопы не радиоактивны и поэтому не подвергаются самопроизвольному радиоактивному распаду. Изотопы углерода широко используются в медицине, а также в исследованиях и разработке различных методов медицинской диагностики. Они могут маркировать конкретную молекулу в живом организме, что дает исследователям возможность впоследствии отследить ее. В своем исследовании исследователь сосредоточилась на изотопе углерода-13, или 13 C. В природе существует только 1,1% изотопов 13 C, и их очень трудно отделить от распространенных изотопов 12 C из-за их очень схожих свойств. В настоящее время промышленный процесс требует сотен стадий, требует очень длительного времени обработки и потребляет много энергии, что приводит к высоким затратам и значительному воздействию на окружающую среду. Разделение изотопов в электрохимической ячейке было значительно выше и быстрее, чем любым другим существующим методом. Ученой удалось разработать новый метод, взглянув на разделение изотопов совершенно по-другому. Учёные изучили сходство электрохимического разделения с процессом фотосинтеза, который используется растениями для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу в присутствии солнечного света. Это открытие демонстрирует, что очень маленькие электрохимические реакторы, которые есть у ученых в лабораториях, можно использовать для разделения изотопов. Этот процесс требует значительно меньше времени и затрат энергии и гораздо безопаснее для окружающей среды. Электровосстановление можно одновременно использовать для производства из углекислого газа полезных химических веществ, таких как этанол или этилен, с использованием возобновляемых источников энергии.

Топливо из углекислого газа Во всем мире ведутся поиски способов извлечения углекислого газа из воздуха или выхлопов электростанций, а затем превращения его во что-то полезное. Одна из наиболее многообещающих идей — превратить его в стабильное топливо, которое может заменить ископаемое топливо. Но большинство таких процессов конверсии имеют проблемы с низкой эффективностью выбросов углерода или производят топливо, с которым трудно обращаться, оно токсично или легко воспламеняемо. Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали эффективный процесс, который может превращать углекислый газ в формиат, жидкий или твердый материал, который можно использовать, как водород или метанол, для питания топливных элементов и выработки электроэнергии. Формиат калия или натрия, уже производимый в промышленных масштабах и широко используемый в качестве антиобледенителя для дорог и тротуаров, нетоксичен, негорюч, его легко хранить и транспортировать, и он может оставаться стабильным в обычных стальных резервуарах, которые можно использовать месяцами или даже годами, после его производства. Весь процесс, включая улавливание и электрохимическое преобразование газа в порошок твердого формиата, который затем используется в топливном элементе для производства электроэнергии. Новый процесс обеспечивает улавливания более 90 процентов и устраняет необходимость в неэффективном этапе нагрева за счет предварительного преобразования диоксида углерода в жидкий бикарбоната. Затем эту жидкость электрохимически преобразуют в жидкий формиат калия или натрия в электролизере. Полученный высококонцентрированный жидкий раствор формиата калия или натрия можно затем высушить, например, путем испарения на солнечной энергии, чтобы получить твердый порошок, который обладает высокой стабильностью и может храниться в обычных стальных резервуарах в течение многих лет или даже десятилетий.  По словам исследователей, формиатное топливо потенциально может быть адаптировано для чего угодно: от бытовых установок до крупномасштабного промышленного использования или сетевых систем хранения.

Термогальванический эффект для получения электричества Ежегодно 10 гигаватт потенциальной энергии тратятся в виде отработанного тепла промышленных процессов — этого достаточно, чтобы осветить 10 миллионов домов. Термоэлектрический эффект, при котором заряды создаются за счет разницы температур, обеспечивает способ передачи этого тепла в электричество, но лишь частично. Чтобы уловить хоть сколько-нибудь полезное количество энергии разница температур должна составлять не менее 500 градусов Цельсия или выше. Профессор из Стэнфорда разработал способ сбора тепла при температурах в 10 раз ниже — всего лишь 50 градусов Цельсия. Хитрость заключалась в том, чтобы использовать термогальванический эффект, двоюродный брат термоэлектрический эффект, при котором изменяется температура всего материала вместе с напряжением, а не градиентом внутри аккумуляторного элемента. Группа взяла незаряженные аккумуляторные элементы с медными электродами, зарядила их, пока они были горячими, а затем охладила. Аккумуляторы выдавали более высокое напряжение, чем было использовано для их зарядки. Другими словами, энергия, использованная для нагрева батареи, была уловлена в виде электричества. Со временем батареи смогут выстилать стены фабричных дымовых труб или электростанций, преобразуя низкопотенциальное избыточное тепло в электричество.

Электрохимические тесты для диагностики заболевания легких Устройство, сочетающее в себе микрофлюидику на бумаге, электрохимическую трансдукцию и иммуноанализ на магнитных наночастицах, способно обнаруживать биомаркеры воспаления в образцах мокроты, что полезно для простой и быстрой диагностики заболеваний легких. Исследование координируется Институтом микроэлектроники Барселоны, а результаты публикуются в журнале ACS Sensors. Это компактное, недорогое и простое в использовании устройство, которое одновременно измеряет три биомаркера в мокроте, уровни которых изменяются у пациентов, страдающих более тяжелыми эпизодами хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). Устройство состоит из матрицы электрохимических ячеек, интегрированных в чип, и бумажного компонента, встроенного в метакрилатный картридж, и позволяет одновременно определять три биомаркера воспаления: интерлейкин-8 (IL-8), фактор некроза опухоли альфа (TNF-α), и фермент миелопероксидаза (МПО). Концентрация этих маркеров в мокроте поможет в раннем выявлении различных стадий ХОБЛ. В настоящее время ХОБЛ является третьей по значимости причиной смертности во всем мире и выявляется с помощью спирометрического тестирования функции дыхания. По данным Всемирной организации здравоохранения, в странах со средним и низким уровнем дохода он обычно недоступен, что приводит к высокому уровню смертности от этого заболевания: 90% смертей приходится на пациентов в возрасте до 70 лет.

Новые электрохимические медицинские диагностические приборы Ученые из США разработали новые медико-диагностическое устройство, изготовленные из бумаги, которые идентифицирует заболевания, выполняя электрохимические анализы и считывают результаты тестов с цветовой кодировкой. Тест начинается с помещения укола крови в круглую деталь - устройства площадью менее двух квадратных дюймов. Тест также содержит «тестовые зоны для самостоятельного пипетирования», которые можно окунуть в образец вместо использования теста из пальца. Верхний слой теста изготовлен из необработанной целлюлозной бумаги с узорчатыми гидрофобными «доменами», образующими каналы, по которым собираются образцы крови для тестирования. Эти «микрофлюидные каналы» позволяют проводить точные анализы, которые меняют цвет, чтобы указать на конкретные результаты тестирования. Для анализа цветовой реакции ученые разработали мобильное приложение, которое на основе фотографии показывает результаты теста. Нижний слой теста представляет собой «трибоэлектрический генератор» или ТЭГ, который генерирует электрический ток, необходимый для проведения диагностического теста, простым трением или нажатием на него. Исследователи также разработали недорогое портативное устройство (потенциостат), которое легко подключается к тесту и позволяет автоматизировать диагностические тесты, чтобы их могли выполнять неподготовленные люди. Эти тесты могут использоваться для обнаружения биомаркеров, таких как глюкоза, мочевая кислота и L-лактат, кетоны и лейкоциты, которые указывают на факторы, связанные с функцией печени и почек, недоеданием и анемией. В будущем можно будет проводить и  более сложные анализы  для выявления таких заболеваний, как лихорадка денге, желтая лихорадка, малярия, ВИЧ и гепатит.

Новый метод атомно-слойного электроосаждения Исследование доктора Юн Лю и его коллег из Центра нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий описывает новый метод нанесения ультратонких слоев платины на поверхность. Этот метод включает в себя применение «высокого перенапряжения» электричества для нанесения слоя металла на поверхность, а затем переключение на пониженное напряжение для создания слоя водорода. Водород остается на месте лишь ненадолго, а затем исчезает, когда ученые регулируют напряжение, чтобы добавить новые слои платины. Этот подход дает неожиданные результаты. Под высоким возбуждающим напряжением платина в растворе (связанная с четырьмя атомами хлорида) может выделять хлорид и связываться с определенным местом на золоте. Водород быстро адсорбируется на платине, благодаря чему платина образует ровную поверхность толщиной в один атом. Данное открытие может привести к созданию нового метода выращивания оксидов металлов или полупроводников на атомном уровне.

Электрохимический робот Исследователи из Института перспективных наук и технологий Бекмана разработали автоматизированного лабораторного робота для проведения сложных электрохимических экспериментов и анализа данных. Робота можно использовать для исследования материалов хранения энергии и химических реакций, которые способствуют использованию альтернативных и возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая энергия. Электролаборатория состоит из двух основных компонентов: аппаратного и программного обеспечения. Аппаратное обеспечение состоит из стандартного корпуса 3D-принтера, который был преобразован в робота для установки; микроэлектродные матрицы или электронные чипы; и электрохимическое оборудование. Рама позволяет роботу перемещаться в пределах отведенной зоны над электрохимическими ячейками для дозирования различных жидкостей. Электронные чипы измеряют электрический ток, который необходим для понимания электрохимических измерений. Программный компонент был создан на Python (бесплатная платформа кодирования с открытым исходным кодом), которая позволяет пользователю подключаться к электролаборатории для проведения экспериментов. Программное обеспечение позволяет полностью автоматизировать анализ данных, визуальную графику и построение графиков. В сочетании с машинным обучением Электролаборатория превращается из робота, выполняющего заранее определенные задачи, в робота, который может принимать решения о направлении эксперимента во время его проведения. Обычно электрохимик вручную выбирает интересующие наборы данных для дальнейшего продвижения вперед, но электролаборатория использует данные, которые он собирает и анализирует в режиме реального времени, чтобы сделать следующий шаг. Электролаборатория ускоряет открытие новых материалов и в конечном итоге поможет бороться с изменением климата. Изучение эффективного преобразования энергии и изучение новых материалов для хранения энергии, используемых в окислительно-восстановительных батареях, позволит альтернативным источникам энергии, таким как солнечная или ветровая энергия, стать более практичными. Помимо исследования новых материалов для аккумуляторов, электролаборатория обещает исследовать системы, в которых электрохимия управляет химическими реакциями экологически чистым и устойчивым образом. В рамках своего исследования Бекмана Пенс планирует использовать электролабораторию для проверки условий окисления распространенных побочных продуктов биомассы и поиска способов преобразования отходов в химические вещества с добавленной стоимостью.