Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами

https://ria.ru/20170513/1494214972.html

Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами

Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами — РИА Новости, 13.05.2017

Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами

Физики впервые смогли детально рассмотреть водородную связь между двумя молекулами и точно измерить силу, что поможет ученым в раскрытии тайн устройства белков… РИА Новости, 13.05.2017

2017-05-13T09:30

2017-05-13T09:30

2017-05-13T09:30

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/149420/92/1494209233_0:2:600:340_1920x0_80_0_0_0dda3b90c5f9540141cf57373ad03a6c.gif

швейцария

японское море

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/149420/92/1494209233_73:0:528:341_1920x0_80_0_0_a5c5585925c94da5fec50806103b9d6f.gif

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

открытия — риа наука, швейцария, японское море

Открытия — РИА Наука, Наука, Швейцария, Японское море

МОСКВА, 13 мая – РИА Новости. Физики впервые смогли детально рассмотреть водородную связь между двумя молекулами и точно измерить силу, что поможет ученым в раскрытии тайн устройства белков и молекул ДНК, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

«Водород, состоящий из всего одного протона и электрона, является самым небольшим и распространенным атомом во Вселенной. Водород столь же важен и для химии и физики, но до настоящего времени мы не могли видеть одиночные атомы водорода в молекулах. Получение первых данных по силе водородных связей открывает путь для раскрытия трехмерной формы молекул ДНК и полимеров», — рассказывают Сигеки Кавай (Shigeki Kawai) из Национального института изучения материалов в Цукубе (Япония) и его коллеги.

Почти все молекулы, существующие во Вселенной, состоят из атомов, связанных тремя путями – посредством прочных ковалентных или ионных связей, основанных на «обобществлении» или «экспроприации» электронов между двумя атомами, и слабых водородных связей.

13 сентября 2012, 22:07

Угарный газ помог ученым увидеть связи между атомами углеродаМолекула угарного газа, присоединенная к жалу атомно-силового микроскопа, позволила физикам рассмотреть отдельные химические связи между атомами углерода в «шарике» фуллерена и некоторых органических веществах, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Они образуются за счет перераспределения заряда между атомами водорода и кислорода, из-за которого возникает «зарядовая асимметрия» молекулы и один ее конец оказывается заряжен положительно, а другой отрицательно. К этим заряженным концам могут присоединяться другие атомы и молекулы, а также атомы в самой молекуле, содержащей водород.

Водородные связи, возникающие между молекулами воды, объясняют высокую температуру кипения и высокую вязкость воды, а также необычные свойства белков, молекул ДНК и других «кирпичиков жизни». Ученые достаточно давно знают примерную силу этих связей, однако их точное значение так и не было измерено из-за того, что электронные микроскопы крайне плохо «видят» атомы водорода в молекулах.

© Kawai et al. / Science Advances 2017Фотографии водородных связей в молекулах

© Kawai et al. / Science Advances 2017

Кавай и его коллеги решили эту проблему, модифицировав жало атомно-силового микроскопа таким образом, что водород начинает формировать связи не только с изучаемыми молекулами, но и с самим микроскопом.

Сердцем атомно-силового микроскопа является сверхтонкая игла из металла и присоединенная к ней упругая пластинка, которая вибрирует при движении щупа по образцу материала. Эти колебания преобразуются в картинку при помощи лазера, угол отражения луча которого меняется в зависимости от силы вибраций.

В 2012 году Кавай и швейцарские физики впервые смогли увидеть связи между атомами углерода в молекулах ароматических углеводородов, покрыв «иглу» микроскопа угарным газом, чьи молекулы, как выяснили ученые, были особенно чувствительны к искажениям, которые возникают в результате отталкивания наконечника электронами, образующими связи между атомами.

31 августа 2016, 14:50

Физики протестировали микроскоп, способный видеть объекты меньше атомаУченые из США создали и проверили в деле первый в мире электронный микроскоп, способный получать фотографии объектов, чей размер меньше радиуса атома водорода.

Экспериментируя с подобными иглами, авторы статьи обнаружили, что они могут фиксировать появление водородной связи между ними и особо устроенными ароматическими углеводородами, часть атомов водорода в которых смотрит строго «вверх». В таком случае жало микроскопа будет взаимодействовать со строго одним атомом водорода, что позволяет четко видеть формирование связи и точно измерять ее силу.

Для проведения подобных экспериментов ученые собрали молекулы, состоящие из нескольких углеводородных колец и хвостов и похожие по форме на логотип «Мерседес-Бенц», пропеллер и звезду с тремя лучами. «Ощупывая» эти хвосты при помощи жала микроскопа, физики смогли впервые сфотографировать водородные связи, понять, как они отличаются от ковалентных связей, измерить их силу – около 40 пиконьютонов, триллионных долей ньютона, и понять, на каком расстоянии они работают – примерно 300 пикометров.

29 августа 2012, 21:02

Рентгеновский лазер помог физикам взглянуть на электроны внутри алмазаФизики использовали сверхмощный рентгеновский лазер LCLS для получения первых фотоснимков отдельных электронов, обращающихся вокруг атомов углерода в кристалле алмаза, и опубликовали результаты своей работы в статье в журнале Nature.

В целом, все эти значения полностью соответствует теоретическим предсказаниям и говорят о том, что в их формировании не замешаны силы электростатического притяжения или неизвестная нам форма ионных связей. Как надеется Кавай, открытие его команды проложит дорогу для получения первых «атомных» фотографий ДНК и важнейших белков, и последующего раскрытия их тайн.

Связь молекул воды между собой

Молекулы воды связаны между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами — 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H₂O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных «трубок» соединенных между собой, как пчелиные соты.

Согласно данным компьютерного моделирования, при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, возникает вопрос — не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной основой – матрицей для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно, поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.

Такие исследования нанокристаллов льда были проведены в 2007 году Микаелидес из Центра нанотехнологий в Лондоне и Моргенштерн из университета им. Лейбница в Ганновере (рис. 36). Они охлаждали водяной пар над поверхностью металлической пластины, находящейся при температуре 5 градусов Кельвина. Вскоре с помощью сканирующего туннельного микроскопа на пластине удалось наблюдать гексамер (шесть соединенных между собой молекул воды) — мельчайшую снежинку. Это самый маленький из возможных кластеров льда. Ученые наблюдали также кластеры, содержащие семь, восемь и девять молекул.

Рис. 36. Изображение гексамера воды, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа Размер гексамера в поперечнике — около 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology

Разработка технологии, позволившей получить изображение гексамера воды — само по себе важное научное достижение. Для наблюдения пришлось сократить зондирующий ток до минимума, что и позволило предохранить слабые связи между отдельными молекулами воды от разрушения вследствие процесса наблюдения. Помимо этого, в работе были использованы теоретические подходы квантовой механики. Комплексный подход дал впечатляющие результаты.

В отличие от кристаллического льда, где между всеми молекулами воды энергия связи одинакова, в нанокластерах есть чередование сильных и слабых связей (и соответствующих расстояний) между отдельными молекулами. Получены также важные результаты о способности молекул воды к распределению водородных связей и к их связи с поверхностью металла.

Теоретические  анализы Опарина, эксперименты Миллера, Фокса и др. бесспорно доказывают, что в природе могут структурироваться органические молекулы из неорганических. Главным источником энергии в их экспериментах является тепло. В природе это солнечная радиация и энергия магмы. Другой очень существенный вывод – это, что зарождение жизни может произойти в щелочной среде. Во всех случаях наблюдается самоорганизация живого.

В XIX в. Пастьор обратил внимание, что в неживой природе  молекулы являются  симметричными. А в живой природе наблюдается зеркальная ассиметрия молекул. Белки состоят из левовращающих аминокислот. Данное свойство определяется вращением молекулой плоскости поляризации света. Как объяснить феномен?

Возможно, наличие ассиметрии в органических молекулах проявилось, когда открытая система, предшествувающая биосфере, находилась в крайне неравновесном критическом состоянии.

Произошел скачкообразный эволюционный переход, что является характерной особенностью самоорганизации. Примером такого состояния являются эксперименты, где водные молекулы напоминают ДНК в нанотрубах. Переход из симметричных молекул неживой природы к ассиметричным биомолекулам живой мог произойти на начальном этапе химической эволюции, как самоорганизация материи. Проф. Антонов доказал, что вода тоже является открытой системой и обменивается энергией и веществом с окружающей средой (проф. Антонов, 1992).

Такие экстремальные условия наблюдаются при вулканической деятельности, разрядах в атмосфере молодой Земли. Минеральная вода, взаимодействуюшая с карбонатом кальция, а также морская вода, являются благоприятным спектром для сохранения самоорганизующихся структур. Эффект Кирлиана в лабораторных условиях создает селективный разряд, позволяющий наблюдать излучение света атомами или молекулами. При экспериментах Миллера также создаются неравновесные экстремальные условия с газовым разрядом.

Кирлиановая аура — плазменное свечение электрического разряда наблюдается на поверхности предметов, находящихся в переменном электрическом поле высокой частоты 10-100 кГц, при котором возникает поверхностное натяжение между электродом и исследуемым объектом от 5 до 30 кВ. Эффект Кирлиана наблюдается подобно молниям или статическому разряду на любых биологических, органических объектах, а также на неорганических образцах различного характера.

Для визуализации Кирлиановой ауры на электрод подаётся высокое переменное напряжение с высокой частотой — от 1 до 40 киловольт при 200-15000 Герц. Другим электродом служит сам объект. Оба электрода разделены изолятором и тонким слоем воздуха, молекулы которого подвергаются диссоциации под действием сильного магнитного поля, возникающего между электродом и объектом. В этом слое воздуха, находящемся между объектом и электродом, происходит три процесса.

Первый процесс заключается в ионизации и образовании атомарного азота.

Второй процесс – ионизация молекул воздуха и образования ионного тока – коронного разряда между объектом и электродом. Форма короны свечения, её плотность и т.п. определяются собственным электромагнитным излучением объекта.

Третий процесс — переход электронов с низших на высшие энергетические уровни и обратно. При этом переходе электронов происходит излучение кванта света. Величина перехода электрона зависит от собственного электромагнитного поля исследуемого объекта. Поэтому в различных точках поля, окружающего объект, электроны получают разные импульсы, т.е. перескакивают на разные энергетические уровни, что приводит к испусканию квантов света разной длины и энергии. Последние регистрируются человеческим глазом или цветной фотобумагой в качестве различных цветов, которые в зависимости от объекта могут окрашивать корону свечения в различные цвета. Эти три процесса в своей совокупности дают общую картину кирлиан-эффекта, который позволяет изучать электромагнитное поле объекта. Эффект Кирлиана, таким образом, связан с биоэлектрической аурой живого объекта.

См. ссылку: www.o8ode.ru/article/learn/kirlian.htm

Химическая связь — основные виды, типы и характеристики

Химическая связь и строение вещества

Все системы стремятся к равновесию и к уменьшению свободной энергии — так гласит один из постулатов химической термодинамики. Атомы, взаимодействующие в молекуле вещества, тоже подчиняются этому закону. Они стремятся образовать устойчивую конфигурацию — 8-электронную или 2-электронную внешнюю оболочку. Этот процесс взаимодействия называется химической связью, благодаря ему получаются молекулы и молекулярные соединения.

Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.

Важно!

Существует несколько систем измерения ЭО, но пользоваться для расчетов можно любой из них. Для образования химической связи важно не конкретное значение ЭО, а разница между этими показателями у двух атомов.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Механизм образования химической ковалентной связи

Существует два механизма взаимодействия атомов:

• обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;

• донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.

Также на прочность влияют следующие показатели:

• Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

• Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.

На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.

Основные типы химических связей

Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH₄)₃PO₄присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.

Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.

Основные характеристики химической связи:

• насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;

• полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;

• направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.

Ковалентная связь

Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.

Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.

Важно!

В зависимости от того, сколько получилось электронных пар, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.

Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl₂, O₂, N₂, F₂ и других.

Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.

Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH₃,HBr, H₂O, H₂S и других.

Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.

Другой пример — молекула сероводорода H₂S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.

Характеристики ковалентной связи:

• насыщена,
• направлена,
• имеет полярность.

Ионная связь

Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.

Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.

Важно!

Все соли образованы с помощью ионных связей, поэтому в задачах, где нужно определить тип химической связи в веществах, в качестве подсказки можно использовать таблицу растворимости.

Характеристики ионной связи:

Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.

Металлическая связь

Отличительная особенность металлов в том, что их атомы имеют достаточно большие радиусы и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В итоге получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а вокруг беспорядочно перемещаются электроны проводимости, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

Наличие такого «электронного облака», которое может прийти в направленное движение, обусловливает электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и ковкость, объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко смещаются. Поэтому металл при ударном воздействии способен растягиваться, но не разрушаться.

Характеристики металлической связи:

Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr₂, CuAl₁₁Fe₄, Ca₂Cu и другим.

Схема металлической связи:

M — металл,

n — число свободных внешних электронов.

К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:

Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.

2.1.3. Водородная связь.

Структуру водородной связи мы с вами разберём на примере взаимодействия молекул воды между собой.

Молекула воды является диполем. Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом кислородом, имеющим неподелённую электронную пару, испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с атомом кислорода другой молекулы воды.

В результате этого взаимодействия возникает водородная связь (Рис. 2.1):

2.1. Механизм образования водородной связи между молекулами воды

Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом, имеющим неподелённую электронную пару (азотом, кислородом, фтором и др.), испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с неподелённой парой электронов другого электроотрицательного атома этой же или другой молекулы.

В результате также возникает водородная связь, которая графически обозначается тремя точками (Рис. ):

Рис. 2.2. Механизм образования водородной связи между протоном (Н^.δ+) и более электроотрицательными атомами серы(:S^δ—), кислорода (:O^δ—) и азота (:N^δ—)

Эта связь значительно слабее других химических связей (энергия ее образования 10-40 кДж/моль), и, в основном, определяется электростатическим и донорно-акцепторным взаимодействиями.

Водородная связь может быть как внутримолекулярной, так и межмолекулярной.

2.1.4. Гидрофобные взаимодействия

Прежде, чем рассматривать природу гидрофобного взаимодействия, необходимо ввести понятие «гидрофильных» и «гидрофобных» функциональных групп.

Группы, которые могут образовывать водородные связи с молекулами воды, называются гидрофильными.

К этим группам относятся полярные группы: аминогруппа (-NH₂), карбоксильная (—COOH), карбонильная группы (—CHO) и сульфгидрильная группа (—SH).

Как правило, гидрофильные соединения хорошо растворимы в воде. !!! Это обусловлено тем, что полярные группы способны образовывать водородные связи с молекулами воды.

Появление таких связей сопровождается выделением энергии, поэтому и возникает тенденция к максимальному увеличению поверхности контакта заряженных групп и воды (Рис. 2.3):

Рис. 2.3. Механизм образования гидрофобных и гидрофильных взаимодействий

Молекулы или части молекул, неспособные образовывать водородные связи с водой называются гидрофобными группами.

К этим группам относятся алкильные и ароматические радикалы, которые неполярны и не несут электрического заряда.

Гидрофобные группы – плохо или вовсе не растворимы в воде.

Это объясняется тем, что атомы и группы атомов, входящие в состав гидрофобных групп, являются электронейтральными и (поэтому) не могут образовывать водородных связей с водой.

!!! Гидрофобные взаимодействия возникают в результате контакта между неполярными радикалами, неспособными разорвать водородные связи между молекулами воды.

В результате этого молекулы воды вытесняются на поверхность гидрофильных молекул (Рис. 2.3).

2.1.5. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия.

В молекулах существуют также весьма слабые и короткодействующие силы притяжения между электрически нейтральными атомами и функциональными группами.

Это так называемые ван-дер-ваальсовые взаимодействия.

Они обусловлены электростатическим взаимодействием между отрицательно заряженными электронами одного атома и положительно заряженным ядром другого атома.

Так как ядра атомов экранированы окружающими их собственными электронами от ядер соседних атомов, то возникающие между различными атомами ван-дер-ваальсовы взаимодействия весьма невелики.

Все эти типы взаимодействий принимают участие в формировании, поддержании и стабилизации пространственной структуры (конформации) белковых молекул (Рис. 2.4):

Рис. 2.4. Механизм образования ковалентных связей и слабых нековалентных взаимодействий: 1 — электро-статические взаимодействия; 2 – водородные связи; 3 – гидрофобные взаимодействия, 4 – дисульфидные связи

Силы, которые способствуют формированию пространственной структуры белков и удерживающие её в стабильном состоянии, являются очень слабыми силами. Энергия этих сил на 2-3 порядка меньше энергии ковалентных связей. Они действуют между отдельными атомами и группами атомов.

Однако, огромное число атомов в молекулах биополимеров (белков), приводит к тому, что суммарная энергия этих слабых взаимодействий становится сравнима с энергией ковалентных связей.

механизм образования ее между молекулами, примеры

Гидрогенная связь — образовывается между «+» заряженными атомами водорода и «-» заряженными атомами других молекул.

Очень часто эта взаимосвязь возникает и существует из-за взаимодействия атома водорода с такими атомами: оксиген (О), нитроген (N). Это происходит вследствие того, что данные элементы имеют небольшой удельный вес и характеризуются высокой электроотрицательностью. Элементы, которые имеют больший удельный вес — сера S или хлор Cl—связываются с водородом менее прочно, хотя их электроотрицательность сравнима с нитрогеном.

…

Оглавление:

• Типы гидрогенной связи
• Механизм образования водородной связи
• Аномальные свойства, обеспеченные водородной взаимосвязью

Типы гидрогенной связи

1. Межмолекулярная водородная — возникает между двумя элементами, пример: метиловый спирт.
2. Водородная (гидрогенная) внутримолекулярная — образуется внутри элемента, пример: 2-нитрофенол.

Это интересно: механизм образования металлической химической связи, примеры.

Межмолекулярная гидрогенная связь

Совместная электронная пара смещается от атома водорода к отрицательно заряженному атому. При этом водород входит в комплекс с неразделенной электронной парой другого атома или иона.

Н-связь графически изображают в виде точек, тем самым показывая, что она слабее ковалентной (примерно в 10−15 раз).

Молекулы воды (две) и молекулы уксусной кислоты (две)

Внутримолекулярная гидрогенная взаимосвязь. Ей свойственно находиться в таких структурах, как многоатомные спирты, углеводы, белки.

Это интересно: типы кристаллических решеток — таблица различных материалов.

Молекула салициловой кислоты

Химические взаимодействия делятся на слабые и сильные. Их отличие состоит в том, что при разрыве они выделяют разную энергию и у них различные по длине (расстояние между атомами):

1. Слабые. Содержание энергии — 15−25 кдж/моль, длина равна 30.

2. Сильные. Энергия — 300 кдж/моль, длина 22−23.

Для образования Н-св. характерно два типа отдачи ионов — электростатический и донорно — акцепторный. Интересно то, что донором выступает более сильный элемент (F, O, N), а акцептором — атом водорода.

Это интересно: как определить валентность по таблице Менделеева?

Механизм образования водородной связи

Хорошо разбирать механизм образования водородной связи на примере её между молекулами воды. Н-св. на рисунках обозначается 3 точками. Атом гидрогена имеет всего лишь один электрон, который при взаимодействии с атомом большей электроотрицательности может условно оголять ядро, что, в свою очередь, образует дополнительную взаимосвязь с другим атомом. Это и есть водородная связь.

Вода — это вещество, между молекулами которого образуются водородные связи.

Кластеры из нескольких молекул воды

Благодаря водородным взаимосвязям молекулы воды взаимодействуют друг с другом, что приводит к образованию кластеров или комплексов воды. Одним из ярких примеров является димер воды.

Н-св. считаются довольно слабыми и неустойчивыми: считается, что они легко возникают, но и также легко разрушаются. Для водородных связей характерен симптом тепловой флюктуации. Вода представляет собой сеть из молекул, связанных водородными связями.

Аномальные свойства, обеспеченные водородной взаимосвязью

Молекула воды состоит из трёх молекул и содержит 4 Н-св. Здесь присутствуют 2 атома водорода , а кислород, имея две неподеленные электронные пары, связывается с атомами Н ближайших молекул Н2О.

Н-св. обеспечивают высокие температуры кипения и плавления. Без них эти показатели были бы намного меньше.

Н-св. в молекулах воды обладают достаточной силой и препятствуют её плавлению и испарению.

А также они обеспечивают ещё одно свойство Н2О, которое характеризуется тем, что при плавлении воды её плотность повышается.

Наибольшее значение имеет плотность воды (1,00 г/мл) при температуре 4 градуса Цельсия. Эта температура характерна для зимнего времени и находится на дне пресных водоёмов, там же и находится вода с максимальной плотностью.

Как изменяются свойства веществ в зависимости от водородной связи

Наиболее достоверным признаком наличия в веществе межмолекулярной Н-св. является показатель кипения вещества. Одна из высоких температур кипения у воды (100 ^oC так как для того чтобы разрушить межмолекулярные связи в h3O нужно затратить больше энергии). Н-св. сильно может влиять на физические и химические свойства вещества. Межмолекулярная связь обеспечивает повышение температуры плавления и кипения различных веществ. Вещества, которые содержат ОН-группы —моносахариды, дисахариды, как правило, обладают отличной гидрофильностью.

Научное исследование и описание структурированной воды

Суть новизны заключается в перестройке самой структуры воды.

Молекула воды Н₂О состоит из двух атомов водорода и атома кислорода. Это очень устойчивая структура. Силы взаимодействия молекул и атомов сводятся к кулоновскому притяжению и отталкиванию положительно заряженных атомных ядер и отрицательных электронов. К ним относятся химические или валентные силы; собственно за счет этих сил и образуется устойчивая молекула воды Н₂О. В общем  случае, два атома водорода, входящие в молекулу, различные: один атом ортоводород, второй — параводород.

Каждая из молекул воды образует до 4 водородных связей — 2 из них образует атом кислорода и 2 — атомы водорода. Количество водородных связей и их разветвленная структура во многом определяются соотношением ортоводорода и параводорода в молекулах воды. Меняя это соотношение, меняется структура воды. Водородные связи могут образовывать как право-, так и левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы кварца бывают правой и левой азимутальной кристаллической формы. Так как каждый такой тетрамер воды имеет еще и 4 не задействованнные внешние водородные связи, то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода изометрические цепочки наподобие молекулы ДНК. Поскольку внешних связей всего 4, а внутренних в 3 раза больше, то это позволяет тетраметрам в жидком виде, воде, изгибать и поворачивать и даже подламывать эти расслабленные тепловыми колебаниями внешние водородные связи. Согласно этому предположению этим обуславливается текучесть воды.

Сейчас наукой установлено, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов молекул воды (кластеров), способных воспринимать, хранить и передавать самую различную информацию о внутренних и внешних воздействиях.

Непосредственной причиной образования водяных кластеров являются водородные связи между молекулами воды. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и «сгущениями» электронной плотности у ядер кислорода других молекул воды. Водородные связи легко разрушаются под действием тепловых колебаний молекул и быстро восстанавливаются вновь, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают структурные элементы — кластеры воды. Возникновение и распад кластеров можно выразить схемой:

х • Н₂О ‹—› (Н₂О)_Х

Благодаря Рамановой электроскопии в 2005 г. коллектив учёных из университета Беркли, США — Гейслер, Сейкапи и Смит, показали, что связи водорода между молекулами воды находятся в постоянном движении, постоянно разрываются и меняются. При каждом значении температуры в воде устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в кластерах. При этом на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ.

Протоны, как и электроны, обладают спином 1/2 (В единицах h), Поэтому полная волновая функция системы, состоящей из этих частиц, должна быть антисимметрична относительно перестановки двух протонов. Спиновый магнитный момент протона примерно в 657,5 раза меньше, чем у электрона. Поэтому еще с большим основанием, чем для электронов, можно сказать, что в молекуле водорода полная протонная волновая функция может быть представлена в виде произведения пространственной волновой функции на спиновую. Такие же рассуждения, какие были проведены для двух электронов, показывают, что в молекуле водорода могут реализоваться только следующие два состояния:

1. Состояние, на котором спиновая волновая функция протонов антисимметрична, а следовательно, пространственная функция
   симметрична. В этом случае водород называется параводородом. Образно можно сказать, что в молекуле параводорода спины протонов антипараллельны.
2. Состояние, в котором спиновая волновая функция протонов симметрична, а следовательно, пространственная антисимметрична. На образном языке это означает, что в этом случае спины протонов параллельны. Такой водород называется ортоводородом.

Так как в молекуле водорода электронные спины всегда взаимно компенсируются, то ее спин I обусловлен только спинами ядер. Для молекулы параводорода I = 0, для молекулы ортоводорода I = 1. [Сивухин Д.В. Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика. §51].


Существует несколько способов превращения параводорода в ортоводород и обратно (с помощью катализатора) для чего требуется переориентировать спины ядер, что мы умеем делать на своей установке. Этот процесс проводимый дает возможность получить практически чистый параводород, если же не равновесную смесь на длительное время предоставить самому себе, то ее состав будет меняться.


Для того чтобы новая жидкость сохранила устойчивость во времени, в нее вводят лиганд.

Лиганд — (от Лат. Ligare  «связывать») в комплексных соединениях молекулы или ионы или радикалы связанные с центральным атомом (комплексообразователем). Таким образом трансформированная вода с помощью лиганда приобретает доменную устойчивую структуру и по физико-химическим свойствам сильно отличается от обычной природной воды.

Эта технология позволяет многократно усилить природные свойства воды и в сочетании с целебными свойствами растений становится чудодейственным эликсиром для восстановления и укрепления здоровья. Это подтверждают врачи и многочисленные пациенты:


Беспроводная связь преодолевает водовоздушный барьер | MIT News

Исследователи Массачусетского технологического института сделали шаг к решению давней проблемы беспроводной связи: прямой передачи данных между подводными и бортовыми устройствами.

Сегодня подводные датчики не могут обмениваться данными с наземными, поскольку оба используют разные беспроводные сигналы, которые работают только в соответствующих средах. Радиосигналы, которые распространяются по воздуху, очень быстро затухают в воде. Акустические сигналы, или гидролокаторы, посылаемые подводными устройствами, в основном отражаются от поверхности, но никогда не пробиваются сквозь них. Это приводит к неэффективности и другим проблемам для различных приложений, таких как исследование океана и связь между подводной лодкой и самолетом.

В статье, представленной на конференции SIGCOMM на этой неделе, исследователи MIT Media Lab разработали систему, решающую эту проблему новым способом. Подводный передатчик направляет сигнал гидролокатора на поверхность воды, вызывая крошечные вибрации, соответствующие передаваемым единицам и нулям. Над поверхностью высокочувствительный приемник считывает эти мельчайшие помехи и декодирует сигнал гидролокатора.

«Попытка пересечь границу воздух-вода с помощью беспроводных сигналов оказалась препятствием. Наша идея состоит в том, чтобы превратить само препятствие в средство коммуникации», — говорит Фадель Адиб, доцент Медиа-лаборатории, возглавляющий это исследование. Он написал статью в соавторстве со своим аспирантом Франческо Тонолини.

Система, называемая «трансляционной акустической радиочастотной связью» (TARF), все еще находится на ранней стадии, говорит Адиб. Но это представляет собой «веху», говорит он, которая может открыть новые возможности в области связи вода-воздух. Например, с помощью этой системы военным подводным лодкам не нужно будет всплывать на поверхность для связи с самолетами, что может поставить под угрозу их местоположение. А подводным дронам, которые наблюдают за морской жизнью, не нужно будет постоянно всплывать после глубоких погружений, чтобы отправлять данные исследователям.

Еще одно многообещающее приложение — помощь в поиске самолетов, пропавших без вести под водой. «Акустические передающие маяки могут быть реализованы, скажем, в черном ящике самолета», — говорит Адиб. «Если он будет передавать сигнал время от времени, вы сможете использовать систему для приема этого сигнала».

Декодирование вибраций

Современные технологические решения этой проблемы беспроводной связи имеют ряд недостатков. Буи, например, были разработаны для улавливания гидроакустических волн, обработки данных и передачи радиосигналов бортовым приемникам. Но они могут уплыть и потеряться. Многие из них также должны покрывать большие площади, что делает их непрактичными, скажем, для связи между подводной лодкой и поверхностью.

TARF включает в себя подводный акустический передатчик, который посылает сигналы гидролокатора с помощью стандартного акустического динамика. Сигналы распространяются в виде волн давления разных частот, соответствующих разным битам данных. Например, когда передатчик хочет послать 0, он может передать волну с частотой 100 герц; для 1 он может передавать волну с частотой 200 герц. Когда сигнал попадает на поверхность, он вызывает на воде крошечную рябь высотой всего несколько микрометров, соответствующую этим частотам.

Для достижения высоких скоростей передачи данных система передает несколько частот одновременно, опираясь на схему модуляции, используемую в беспроводной связи, называемую мультиплексированием с ортогональным частотным разделением. Это позволяет исследователям передавать сотни бит одновременно.

В воздухе над передатчиком находится сверхвысокочастотный радар нового типа, который обрабатывает сигналы в диапазоне миллиметровых волн беспроводной передачи, между 30 и 300 гигагерцами. (Это диапазон, в котором будет работать будущая высокочастотная беспроводная сеть 5G.)

Радар, который выглядит как пара конусов, передает радиосигнал, который отражается от вибрирующей поверхности и возвращается обратно к радару. Из-за того, что сигнал сталкивается с вибрациями поверхности, сигнал возвращается со слегка модулированным углом, который точно соответствует биту данных, отправленному сигналом сонара. Например, вибрация на поверхности воды, представляющая 0 бит, вызовет вибрацию угла отраженного сигнала с частотой 100 герц.

«Отражение радара будет немного меняться всякий раз, когда у вас есть какое-либо смещение, например, на поверхности воды», — говорит Адиб. «Улавливая эти крошечные изменения угла, мы можем уловить эти изменения, которые соответствуют сигналу сонара».

Прислушиваться к «шепоту»

Ключевой задачей было помочь радару обнаружить водную поверхность. Для этого исследователи использовали технологию, которая обнаруживает отражения в окружающей среде и упорядочивает их по расстоянию и мощности. Поскольку вода имеет самое сильное отражение в среде новой системы, радар знает расстояние до поверхности. Как только это установлено, он увеличивает вибрации на этом расстоянии, игнорируя все другие близлежащие помехи.

Следующей серьезной задачей было получение микрометровых волн, окруженных гораздо более крупными естественными волнами. Самая маленькая океанская рябь в безветренные дни, называемая капиллярными волнами, имеет высоту всего около 2 сантиметров, но это в 100 000 раз больше, чем вибрации. Более бурные моря могут создавать волны в 1 миллион раз больше. «Это мешает крошечным акустическим колебаниям на поверхности воды», — говорит Адиб. «Это как если бы кто-то кричал, и вы пытаетесь услышать, как кто-то шепчет в то же время».

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали сложные алгоритмы обработки сигналов. Естественные волны возникают с частотой около 1 или 2 герц — или одна или две волны перемещаются по области сигнала каждую секунду. Однако вибрации гидролокатора от 100 до 200 герц в сто раз быстрее. Из-за этой разности частот алгоритм фокусируется на быстро движущихся волнах, игнорируя более медленные.

Проверка воды

Исследователи провели TARF через 500 тестовых запусков в резервуаре с водой и в двух разных бассейнах на территории кампуса Массачусетского технологического института.

В танке радар располагался на дальности от 20 до 40 сантиметров над поверхностью, а гидроакустический передатчик — от 5 до 70 сантиметров под поверхностью. В бассейнах радар располагался примерно на 30 сантиметров над поверхностью, а передатчик был погружен примерно на 3,5 метра ниже. В этих экспериментах у исследователей также были пловцы, создающие волны высотой около 16 сантиметров.

В обоих случаях TARF смог точно декодировать различные данные, например фразу «Привет! из-под воды» — со скоростью сотни бит в секунду, аналогичной стандартной скорости передачи данных для подводной связи. «Несмотря на то, что вокруг плавали пловцы, вызывая волнения и течения, мы смогли быстро и точно расшифровать эти сигналы», — говорит Адиб.

Однако при волнах выше 16 сантиметров система не может декодировать сигналы. Следующие шаги, помимо прочего, заключаются в доработке системы для работы в более бурных водах. «Он может справиться со спокойными днями и справиться с некоторыми водными волнениями. Но [чтобы сделать это практичным] нам нужно, чтобы это работало в любой день и при любой погоде», — говорит Адиб.

«TARF — это первая система, демонстрирующая возможность приема подводных акустических сигналов с воздуха с помощью радара, — говорит Аарон Шульман, доцент кафедры информатики и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Я ожидаю, что эта новая радиолокационно-акустическая технология принесет пользу исследователям в областях, зависящих от подводной акустики (например, морской биологии), и вдохновит научное сообщество на изучение того, как сделать радиолокационно-акустические связи практичными и надежными».

Исследователи также надеются, что их система в конечном итоге позволит беспилотнику или самолету, летящему по поверхности воды, постоянно улавливать и декодировать сигналы сонара по мере приближения.

Исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.

Обзор ‹ Беспроводная связь из-под воды в воздух — MIT Media Lab

Обзор ‹ Беспроводная связь из-под воды в воздух — MIT Media Lab Найдите людей, проекты и т. д.

Электронная почта:

Пароль:

Группы

Знаете ли вы, что сегодня подводные лодки все еще не могут связываться по беспроводной связи с самолетами? На протяжении десятилетий связь между водой и воздухом оставалась нерешенной проблемой. Под водой подводные лодки используют акустические сигналы (или SONAR) для связи; в воздухе самолеты используют радиосигналы, такие как сотовая связь или Wi-Fi. Но ни один из этих сигналов не может работать как в воде, так и в воздухе.

Мы представляем TARF (Translational Acoustic-RF связь), первую технологию, обеспечивающую связь между водой и воздухом. Передатчик TARF посылает стандартный звук (или сигналы SONAR). Звук распространяется в виде волн давления; когда эти волны ударяются о поверхность, они заставляют ее вибрировать. Чтобы уловить эти вибрации, приемник TARF в воздухе использует очень чувствительный радар. Радар передает сигнал, который отражается от поверхности воды и возвращается обратно. Когда поверхность воды вибрирует, это вызывает небольшие изменения в принимаемом радиолокационном сигнале, позволяя приемнику TARF улавливать крошечные вибрации, вызванные подводным акустическим передатчиком.

Видео ниже объясняет, как работает TARF и некоторые его приложения.

Знаете ли вы, что сегодня подводные лодки все еще не могут связываться по беспроводной связи с самолетами? На протяжении десятилетий связь между водой и воздухом оставалась нерешенной проблемой. Под водой подводные лодки используют акустические сигналы (или SONAR) для связи; в воздухе самолеты используют радиосигналы, такие как сотовая связь или Wi-Fi. Но ни один из этих сигналов не может работать как в воде, так и в воздухе.

Мы представляем TARF (Translational Acoustic-RF связь), первую технологию, обеспечивающую связь между водой и воздухом. Передатчик TARF посылает стандартный звук (или сигналы SONAR). Звук распространяется в виде волн давления; когда эти волны ударяются о поверхность, они заставляют ее вибрировать. Чтобы уловить эти вибрации, приемник TARF в воздухе использует очень чувствительный радар. Радар передает сигнал, который отражается от поверхности воды и возвращается обратно. Когда поверхность воды вибрирует, это вызывает небольшие изменения в принимаемом радиолокационном сигнале, позволяя приемнику TARF улавливать крошечные вибрации, вызванные подводным акустическим передатчиком.

Видео ниже объясняет, как работает TARF и некоторые его приложения.

Темы исследований

#робототехника #связь #сети #сенсоры #интернет вещей #океан

Поскольку TARF использует акустические сигналы под водой и радиосигналы в воздухе, он может достичь лучшего из обоих миров. Мы протестировали систему в контролируемых и неконтролируемых условиях, включая бассейны с плавательными бассейнами и циркуляционными течениями. Система включает в себя новые алгоритмы, которые позволяют ей справляться с естественными волнами и могут успешно и быстро обмениваться данными между водой и воздухом.

Чтобы узнать больше о том, как это работает, прочитайте нашу статью о TARF.

Этот проект финансируется Управлением военно-морских исследований.

Пост Исследования

ТАРФ в новостях

BBC: Новая технология позволяет подводным лодкам «переписываться» с самолетамиFox News: Прорыв в области подводных лодок: Массачусетский технологический институт разрабатывает беспроводную систему, позволяющую подводным лодкам общаться с пла…

30 августа 2018 г.

в сигнальной кинетике

#связь

Артикул Исследования

Беспроводная связь прорывается через водо-воздушный барьер

Сигналы подводного гидролокатора вызывают вибрации, которые могут быть расшифрованы бортовым приемником

через Новости Массачусетского технологического института · 22 августа 2018 г.

в сигнальной кинетике

Посмотреть еще

обновления, люди, публикации

{{# каждое изображение}}

{{/каждый}}

Предыдущий Следующий

из

{{# каждое изображение}}

{{ заглавие }}

{{{ заголовок }}}

{{/каждый}}

Wireless Communications — Ocean Technology Systems

Wireless Underwater Communications

OTS производит беспроводную подводную связь самого высокого качества на рынке, и мы делаем это с 1984 года. Наша современная технология обеспечивает четкость и мощность, которые не имеют себе равных к никакой и предлагаются на всех уровнях наших продуктов, от начального до профессионального уровня. Кроме того, мы производим только беспроводная подводная связь , одобренная вооруженными силами США, которая используется военными и профессиональными дайверами по всему миру. Теперь, когда мы убедили вас в факторе прохлады, давайте посмотрим, как работает подводная беспроводная связь, чтобы вы могли принять обоснованное решение о том, какой тип подводной связи подходит именно вам!

Какие типы систем подводной связи существуют?

Для начала есть два варианта подводной связи: проводной — использует кабель для передачи данных, а беспроводной — использует воду для передачи сообщений. Многие дайверы предпочитают свободно нырять там, где им удобно, с возможностью легко и быстро общаться со своим напарником. Именно этого мы добились с помощью беспроводной подводной связи. В отличие от проводной связи, которая ограничивает вас длиной кабеля, беспроводная связь дает вам возможность общаться с вашим напарником или наверху с легкостью и свободой, чтобы просто погрузиться.

Как работает беспроводная подводная связь?

Так как же это работает? Беспроводная подводная связь использует воду для передачи акустического сигнала от одного приемопередатчика к другому, подобно тому, как дельфины используют гидролокатор для связи — остальное — магия (или технология). Наши продукты работают от батареек, работают по принципу «нажми и говори»* и имеют радиус действия до 10 000 метров! Мы предлагаем множество функций, таких как несколько каналов, частот и меню, с такими опциями, как регулировка громкости, для повышения удобства. Подобно двухстороннему радио, просто нажмите кнопку разговора, скажите, что вы хотите сказать, отпустите кнопку, и связь будет запущена.

Оставайтесь на связи

Беспроводная подводная связь — это веселый и простой способ свободно оставаться на связи под водой и никогда не всплывать со словами: «Не могу поверить, что пропустил это». Вы сэкономите время, пытаясь разобраться с проблемами под водой, избавившись от сбивающих с толку сигналов рукой, надписей на грифельной доске и старомодного метода удара по аквариуму, чтобы привлечь внимание вашего напарника. Чтобы поднять свой дайвинг на новый уровень и получить еще больше удовольствия от дайвинга, посетите наши линейки беспроводных продуктов с подробными характеристиками в нашем интернет-магазине! Для получения дополнительной информации о советах о том, как успешно использовать подводную связь, и о том, какие факторы могут повлиять на беспроводную подводную связь, посетите нашу страницу с советами по беспроводной связи здесь.

* Некоторые из наших продуктов для беспроводной связи имеют опцию голосовой передачи (VOX), а также функцию «нажми и говори».

Кто использует беспроводную подводную связь?

• Дайверы-любители
• Видеооператоры и фотографы (кино и телевидение)
• Подводный гид
• Инструкторы
• Поисково-спасательные водолазные команды
• Коммерческие водолазы
• Военный

Подходит ли мне беспроводная подводная связь?

Если вам нужна свобода общения без привязки к кабелю, то беспроводная подводная связь — это то, что вам нужно. Благодаря беспроводной подводной связи у вас будет мобильная свобода плавать и исследовать, где вы хотите, беспроводной дайвер с дайвером или дайвер с верхней стороны.

Не уверены, что беспроводная подводная связь является правильным выбором?

Узнайте о проводных коммуникациях

Приобрести беспроводные подводные изделия

Полнолицевая маска OTS Spectrum

Полнолицевая маска Spectrum обеспечивает простой способ

Купить сейчас

Полнолицевая маска Guardian

Разработана с учетом требований современных коммерческих/профессиональных дайверов ,

Купить сейчас

Трансиверы Buddy Phone для прохода через воду (выходная мощность 1/2 Вт)

Buddy Phone® D2 — это цифровой микроминиатюрный ультразвуковой трансивер, обеспечивающий связь

Купить сейчас

SP-100D2 2-канальная наземная станция Buddy Phone (выходная мощность 1/2 Вт)

Модель №:

2-000  2-канальная наземная станция Buddy Phone®, включая

Купить

Aquacom STX-101 ® 4-канальная наземная станция (5 Вт)

Модель №:

1-000   Aquacom STX-101, 4-канальная наземная станция. Включает в себя руку

Купить сейчас

RX-100-D-RO Только прием с кабелем аудиовыхода

Модель#: 2-022 Блок RX-100 с 18-дюймовым кабелем Rec. Out с разъемом

Купить сейчас

Аудио/видео кабель-разветвитель VSB-2 (для устройств SSB)

Модель#:

1. 7-002 Адаптер, видеосборка. Позволяет SSB-2010, 2001B-2 или 1001B

   Купить сейчас

   Комплект очков для OTS Guardian FFM

   Модель №: 920033-000 Комплект очков. Добавьте линзы, отпускаемые по рецепту, к проводу

   Купить сейчас

   Наушники/микрофоны в сборе

   Наушники/микрофоны в сборе предназначены для подключения пользователя

   Купить сейчас

   Корпус аудиорекордера

   Модель №: SPECIAL Этот корпус для подводного рекордера идеален

   Купить сейчас

   Беспроводная подводная связь через ток смещения Максвелла, генерируемый ТЭНГ

   Беспроводная подводная связь через ток смещения Максвелла, генерируемый ТЭНГ

   Скачать PDF

   Скачать PDF

   • Артикул
   • Открытый доступ
   • Опубликовано: 09 июня 2022 г.
   • Хунфа Чжао ORCID: orcid.org/0000-0003-1929-3184 ^{1,2 na1} ,
   • Миньи Сюй ORCID: orcid.org/0000-0002-3772-8340 ^{1 na1} ,
   • Минруи Шу ORCID: orcid.org/0000-0001-9139-5092 ^{1 na1} ,
   • Джи Ан ORCID: orcid.org/0000-0002-0028-0079 ³ ,
   • Венбо Дин ORCID: orcid.org/0000-0002-0597-4512 ² ,
   • Сянюй Лю ORCID: orcid.org/0000-0003-0386-9089 ¹ ,
   • Сиюань Ван ORCID: orcid.org/0000-0001-7174-9754 ¹ ,
   • Цун Чжао ORCID: orcid.org/0000-0003-3647-7567 ¹ ,
   • Хонгён Ю ORCID: orcid.org/0000-0002-7195-7139 ¹ ,
   • Хао Ван ORCID: orcid. org/0000-0002-9238-9791 ¹ ,
   • Чуан Ван ¹ ,
   • Сяньпин Фу ORCID: orcid.org/0000-0001-9888-9327 ¹ ,
   • Синьсян Пан ORCID: orcid.org/0000-0003-0460-0620 ¹ ,
   • Гуанмин Се ORCID: orcid.org/0000-0001-6504-0087 ^1,4,5 и
   • …
   • Чжун Линь Ван ORCID: orcid.org/0000-0002-5530-0380 ^3,6  

   Связь с природой том 13 , Номер статьи: 3325 (2022) Процитировать эту статью

   • 4005 доступов

   • 4 Цитаты

   • 6 Альтметрический

   • Сведения о показателях

   Предметы

   • Прикладная физика
   • Электротехника и электроника
   • Сенсоры и биосенсоры

   Abstract

   Подводная связь является критическим и сложным вопросом из-за сложной подводной среды. В этом исследовании представлен подход к подводной беспроводной связи с помощью тока смещения Максвелла, генерируемого трибоэлектрическим наногенератором. Подводное электрическое поле можно генерировать с помощью провода, подключенного к трибоэлектрическому наногенератору, а токовый сигнал можно индуцировать в подводный приемник на некотором расстоянии. Принимаемые токовые сигналы практически невосприимчивы к помехам от солености, мутности и подводных препятствий. Даже после прохождения через спиральный водопровод длиной 100 м электрические сигналы не искажаются по форме. Путем модуляции и демодуляции токовых сигналов, генерируемых звуковым трибоэлектрическим наногенератором, тексты и изображения могут передаваться в резервуаре с водой со скоростью 16 бит/с. Система подводного освещения управляется голосовым контроллером на основе трибоэлектрического наногенератора по беспроводной сети. Этот подход на основе трибоэлектрического наногенератора может стать основой для альтернативной беспроводной связи в сложных подводных условиях.

   Введение

   В бурно развивающемся океане подводное оборудование и технологии привлекают все больше и больше внимания ^1,2,3,4,5 . В частности, обеспечение подводной беспроводной связи всегда было серьезной проблемой. Текущая подводная связь достигается с помощью различных физических полей, таких как акустическое поле, оптическое поле и электромагнитное поле ^6,7,8 .

   Акустическая связь является наиболее широко используемой подводной связью, поскольку звуковая волна не так легко поглощается водой, как электромагнитная и оптическая волны. Однако акустическая связь всегда сопровождалась значительными задержками передачи, а передача подвержена влиянию температуры, давления и солености, что приводит к эффектам многолучевости и доплеровскому сдвигу частоты. Более того, эхо и реверберация от препятствий могут сделать акустическую связь недоступной в определенных условиях (например, в замкнутом пространстве, узких трубах, туннелях и пещерах) ^9,10 . Подводная оптическая связь может обеспечить передачу данных большой емкости, но она подвержена поглощению, рассеянию, расхождению луча и прерываниям окружающего света ^11,12 . По сравнению с акустическими и оптическими волнами на электромагнитные волны не влияют акустический шум или турбулентность. Подводная коммуникационная связь обычно имеет высокую скорость передачи и малую задержку ¹⁰ . В то время как высокочастотные электромагнитные волны будут в значительной степени поглощаться водой ^13,14 , низкочастотные электромагнитные волны могут передаваться через антенну на несколько километров. Таким образом, сложное, а иногда и ограниченное подводное пространство оказывается серьезной проблемой для традиционных технологий подводной связи.

   В таких условиях определенно нужна альтернативная связь, которая может хорошо работать в подводном пространстве. На ум приходят уравнения Максвелла, лежащие в основе современной беспроводной электромагнитной связи. Ток смещения, соответствующий ∂ D /∂ t в уравнениях Максвелла — это то, что теоретически объединило электричество и магнетизм ¹⁵ . Из двух членов тока смещения первый член ∂ E /∂ t индуцирует электромагнитные волны, широко используемые в информационных технологиях, особенно в беспроводной связи. Второй член ∂ P /∂ t в токе смещения индуцируется поляризацией среды ^16,17 . Предыдущие исследования профессора З. Л. Ванга показывают, что второй член ∂ P /∂ t ток смещения Максвелла может быть напрямую связан с выходным электрическим током наногенератора ^{18,19,20,21,22,23,24,25} . Было проведено несколько исследований по передаче энергии или связи (в воздухе) на основе тока смещения Максвелла, генерируемого трибоэлектрическим наногенератором (ТЭН). Недавно Зи и соавт. (2021) использовали ТЭНы для создания быстропеременного электрического поля, так что беспроводная связь в воздухе может быть реализована с помощью тока смещения ∂ P /∂ т ²⁶ . По сравнению с воздухом вода имеет большую диэлектрическую проницаемость, что в большей степени способствует распространению поляризационного электрического поля. Следовательно, на основе второго члена тока смещения, т. е. электрического поля поляризации, возможна подводная связь в сложных водах.

   В этом исследовании предлагается подводная беспроводная связь через ток смещения Максвелла, ∂ P /∂ t . ТЭН, преобразующий звук в электричество, подключается к передающему электроду для создания изменяющегося во времени поляризационного электрического поля под водой. Соответствующий изменяющийся во времени ток измеряется приемным электродом, соединенным с электрометром. Исследование показывает, что токовые сигналы, генерируемые ТЭНом, обеспечивают хорошую защиту от помех подводным возмущениям. Через трубу с соленой водой длиной 100 м пиковое значение токового сигнала уменьшается на 66 % от исходного сигнала, при этом формы электрических сигналов не искажаются. С методом включения-выключения тексты и изображения могут быть успешно переданы в резервуаре с водой. При непрерывной передаче около 20 000 цифровых сигналов не было ошибок, а система подводного освещения управлялась по беспроводной связи через TENG. Более того, токовые сигналы, выдаваемые сэндвич-подобным ТЭНом, могут передаваться в бассейн размером 50 м × 30 м × 5 м с отображением сигналов на экране в режиме реального времени. Поэтому считается, что представленная работа может стать эффективным подходом к коммуникации в подводных условиях.

   Результаты

   Принцип работы подводной электрополевой связи

   Концептуальная схема применения исследуемой подводной связи показана на рис. 1. ТЭН преобразует звук (т.е. звуковые волны в воздухе) в электрические сигналы в воде ( рис. 1а), а электрические сигналы, несущие голосовую информацию, могут передаваться в воде и приниматься водолазом. Таким образом, подводная беспроводная связь устанавливается с помощью тока смещения Максвелла, генерируемого ТЭНом. Рисунок 1b представляет собой блок-схему подводной связи. Следует отметить, что этот метод отличается от связи электрического поля, генерируемой парой электрических диполей (см. Дополнительное примечание 1).

   Рис. 1: Концептуальная схема подводной беспроводной связи.

   (сигналы, генерируемые ТЭНом, передаются напрямую без усиления внешним источником питания). a Приложение и ( b ) блок-схема подводной беспроводной связи. c Схематическая диаграмма модели емкости, \({{{\varepsilon }}}_{{{r}}}\) — относительная диэлектрическая проницаемость, E — исходное электрическое поле, P — электрическая поляризация поле, E′ представляет собой комбинированное электрическое поле ( E ) и ( P ), а все, что касается Q, представляет собой количество заряда.

   Изображение полного размера

   Принцип работы подводной связи можно приблизительно понять с помощью емкостной модели (рис. 1с). Распространение подводного электрического поля анализируется с точки зрения тока смещения. Передающий и принимающий электроды образуют положительный и отрицательный электроды конденсатора, а водный раствор является диэлектриком. При наличии электрического поля 9{\основной}\).

   Связь под водой можно теоретически продемонстрировать с помощью уравнения Максвелла. Напомним, что закон Гаусса уравнений Максвелла равен

   $$\nabla \cdot {{{{{\bf{D}}}}}}}={{{{{\boldsymbol{\rho}}}}}}} $$

   (1)

   где ρ — распределение свободных зарядов в пространстве, а D — вектор электрического смещения, который можно выразить как

   $${{{{{\bf{D}} }}}}={{{\varepsilon }}}_{{{0}}}{{{{{\bf{E}}}}}}}+{{{{{\bf{P}}}} }}$$

   (2)

   где диэлектрическая проницаемость в вакууме равна \({{{\varepsilon }}}_{{{0}}}\). Максвелловскую плотность тока смещения можно определить как

   $${{{{{{\bf{J}}}}}}}}_{{{{{{\bf{D}}}}}}}=\ frac {\ partial {{{{{\ bf {D}}}}}}} {\ partial {t}} = {{{\ varepsilon }}} _ {{{0}}} \ frac {\ partial { {{{{\bf{E}}}}}}}}{\partial {t}}+\frac{\partial {{{{{\bf{P}}}}}}}}{\partial {t} }$$

   (3)

   Из уравнения (3), первый член \({{{\varepsilon }}}_{{{0}}}\partial {{{{{\bf{E}}}}}}/\partial {t}\) порождает электромагнитную волну. Исследования профессора Чжунлинь Вана показывают, что второй член (∂ P /∂t) в токе смещения Максвелла может быть напрямую связана с выходным электрическим током ТЭН ¹⁵ .

   Стоит отметить, что во внутренней цепи ТЭН преобладает ток смещения, а наблюдаемый ток во внешней цепи представляет собой емкостной ток проводимости (см. Дополнительное примечание 2). Исследования распространения подводного электрического поля вдохновлены встроенным электрическим полем ТЭН. Сравнивая подводное электрическое поле на основе ТЭН с электромагнитными волнами, для распространения электромагнитных волн не требуется среда, а эффект распространения лучше всего проявляется в вакууме. В это время ∂ E /∂t достигает максимального значения, а ∂ P /∂t равно 0. Для распространения поляризационного электрического поля требуется среда (см. Дополнительное примечание 3). Поскольку ∂ E /∂t в воде значительно уменьшается, эффект распространения ∂ P /∂t улучшается.

   Для проверки эффективности подводной связи применяется акустический ТЭН для преобразования звука в воздухе в электрические сигналы в воде. Выходные характеристики ТЭНГ с акустическим приводом были систематически исследованы в нашем предыдущем исследовании 9.0278 27 . Как показано на рис. 2а, ТЭН состоит из резонансного резонатора Гельмгольца, алюминиевой пленки с равномерно распределенными акустическими отверстиями и пленки из фторированного этилена пропилена (ФЭП) с электродом, напечатанным проводящими чернилами (подробности о ТЭН приведены в дополнительном примечания 4 и 5). Передающий электрод в воде подключен к алюминиевому электроду ТЭН, а другой электрод ТЭН заземлен, так что ТЭН работает в одноэлектродном режиме. При достижении состояния электростатического равновесия более высокая электрическая мощность может быть получена за счет накопления зарядов земли 9.0278 28 . Стоит отметить, что один кусок проводящих материалов, таких как металл и соленая вода, может служить резервуаром заряда для ТЭН.

   Рис. 2: Электрические сигналы акустического ТЭН в воздухе и воде.

   a Схема экспериментального процесса. I _D представляет ток смещения на всех рисунках. b Принципиальная схема работы. E — подводное электрическое поле, а v — скорость ТЭНа на контакт и разъединение. c Сигналы тока короткого замыкания (измеряются подключением электрометра к алюминиевому электроду). d Сигнал тока короткого замыкания, полученный при подключении электрометра к приемному электроду.

   Изображение полного размера

   На рис. 2b показан принцип работы подводной связи, основанной на поляризации интерфейса из-за эффекта Максвелла-Вагнера. Электрический выход генерируется за счет изменения встроенного электрического поля в ТЭН, которое напрямую связано со вторым членом (∂ P /∂t) в токе смещения Максвелла ¹⁵ . Передающий электрод подключен к одному электроду ТЭН, таким образом электрическое поле \({{{{{{\bf{E}}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}} }}}\) индуцируется в воде при работе ТЭН (см. рис. 2б). В соответствии с изменением электрического поля \({{{{{{\bf{E}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}}\, положительное и отрицательные ионы в воде движутся взаимно, создавая поляризационное электрическое поле \({{{{{{\bf{P}}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}} \). Ток в приемном электроде, индуцированный поляризационным электрическим полем, можно измерить с помощью электрометра. Электрическое поле \({{{{{{\bf{E}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}}\), создаваемое ТЭНом, связано с плотность заряда \({{{{{{\boldsymbol{\rho }}}}}}}_{{{{{{\boldsymbol{0}}}}}}}\) в передающем электроде в виде :

   $$\nabla \cdot ({{{\varepsilon }}}_{{{0}}}{{{{{{\bf{E}}}}}}}}_{{{{{{\ bf{0}}}}}}}+{{{{{{\bf{P}}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}})={{ {{{{\boldsymbol{\rho }}}}}}}_{{{{{{\boldsymbol{0}}}}}}}$$

   (4)

   \({{{{{ {\bf{P}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}\) — поляризационное электрическое поле, генерируемое из электрического поля \({{{{{{{ \bf{E}}}}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}\), что равно

   $${{{{{{{\bf{P}} }}}}}_{{{{{{\bf{0}}}}}}}=\frac{{{{\varepsilon }}}_{{{r}}}-1}{{{{ \varepsilon }}}_{{{r}}}}{{{\varepsilon }}}_{{{0}}}{{{{{{\bf{E}}}}}}}_{{ {{{{\bf{0}}}}}}}$$

   (5)

   Следовательно, второй член \({{{{{{\bf{J}}}}}}}}}_{{{{{{\bf{p}}}}}}}}\ ) в максвелловском токе смещения (генерируемом поляризационным электрическим полем) составляет

   $${{{{{{\bf{J}}}}}}}}_{{{{{{\boldsymbol{\rho }} }}}}}=\frac{\partial {{{{{{\bf{P}}}}}}}_{{{{{{\boldsymbol{0}}}}}}}}}{\partial {t}}=\frac{{{{\varepsilon }}}_{{{r}}}{{{{{\boldsymbol{-}}}}}}}1}{{{{\varepsilon }}} _{{{r}}}}{{{\varepsilon }}}_{{{0}}}\frac{\partial {{{{{{\bf{E}}}}}}}}_{{ {{{{\bf{0}}}}}}}}{\partial {t}}$$

   (6)

   Для акустического HR-TENG, когда пленка FEP контактирует с алюминиевой пленкой, электронные облака на поверхностях двух пленок перекрываются, и некоторые электроны из алюминиевой пленки входят в более глубокий потенциал хорошо пленки ФЭП. Из-за гораздо более высокой электроотрицательности ФЭП, чем у алюминия, свободные электроны на поверхности алюминиевой пленки переходят на низшую незанятую молекулярную орбиталь интерфейса ФЭП. Таким образом, алюминиевая пленка становится положительно заряженной (дополнительный рис. 1a). Поскольку передающий электрод соединен с алюминиевой пленкой, положительные заряды также распределяются по поверхности передающего электрода. Отрицательно заряженные ионы в воде притягиваются передающим электродом, а положительно заряженные ионы отталкиваются в окружающую среду. Когда положительные ионы контактируют с принимающим электродом, электроны в принимающей цепи текут к принимающему электроду, поэтому электрометр обнаруживает положительный ток. Из-за изменения перепада акустического давления пленка ФЭП отделяется от алюминиевого электрода. В настоящий момент электроны текут от земли к проводящему чернильному электроду, чтобы сбалансировать электрическое поле между пленкой FEP и проводящим чернильным электродом. Из-за отрицательного заряда, распределенного по поверхности пленки ФЭП, свободные электроны на алюминиевой пленке отталкиваются, поэтому электроны перетекают с алюминиевой пленки на передающий электрод. В отличие от предыдущего, положительно заряженные ионы в воде притягиваются передающим электродом, а отрицательно заряженные ионы отталкиваются в окружающую среду (дополнительный рисунок 1b). Когда отрицательные ионы контактируют с принимающим электродом, электроны принимающего электрода перетекают в приемную цепь, поэтому электрометр обнаруживает отрицательный ток.

   На рис. 2c, d сравниваются электрические сигналы в воздухе и в обычной воде. При акустических волнах (80 Гц, 80 дБ) соответствующие периодические выходные сигналы тока короткого замыкания дают пиковое значение 14,9 мкА (рис. 2b), которое непосредственно измеряется электрометром, подключенным к алюминиевому электроду. Когда приемный электрод (подключенный к электрометру) находится на расстоянии двух метров от погруженного в воду передающего электрода, пиковое значение тока немного уменьшается до 14,5 мкА, в то время как форма электрических сигналов остается постоянной (рис. 2c). Пиковое значение выходного напряжения холостого хода ТЭН снижается с 28,5 В в воздухе до 13 В в воде (см. Дополнительный рисунок 2). Когда резервуар для воды заземлен проводом, выходной ток значительно уменьшается, но форма электрических сигналов остается соответствующей исходному сигналу (дополнительный рисунок 3). Это можно объяснить тенденцией к тому, что заряды от земли будут уравновешивать поле электрического потенциала в воде. Кроме того, сигнал тока все еще может быть измерен, даже если передающий электрод изолирован от воды каптоновой лентой (дополнительный рис. 4), а электрическое поле, создаваемое ТЭНом, может распространяться как в газовой, так и в жидкой среде (дополнительный рис. 5). ). Это доказывает, что передача сигналов зависит от электрического поля, излучаемого ТЭН, а не от прямого обмена электронами между водой и электродными пластинами. Как теоретический анализ, так и эксперименты показали, что для всей системы распространение подводного электрического поля продемонстрировало характеристику тока смещения (см. {{{{{{\boldsymbol{2}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{/}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{\lambda }}}}}}\) , где R — расстояние Рэлея, D — максимальный размер передающего электрода, λ — длина волны. В результате R настолько мало, что им можно пренебречь. Согласно этим теориям, для подводной связи электрического поля на основе ТЭН \({{\varepsilon}}\, > \,{{{{{\boldsymbol{\sigma}}}}}}{{{{{\ boldsymbol{/}}}}}}{{{{{\boldsymbol{\omega }}}}}}\), а расстояние передачи больше, чем расстояние Рэлея. Таким образом, ток смещения управляет подводным электрическим полем, в то время как ток проводимости появляется только на очень коротком расстоянии.

   Стоит отметить, что подводная связь также может быть реализована с помощью различных типов TENG, таких как TENG, которые собирают энергию волн и энергию вибрации (см. Дополнительный рисунок 6, а также первый и второй пункты в дополнительной таблице 1). Развитие связи электрического поля зависит от развития технологии TENG. Методы проектирования ТЭНов с высокой частотой и хорошими выходными характеристиками (см. Дополнительную таблицу 1) обеспечивают хороший потенциал для применения ТЭНов в подводной связи ^{30,31,32,33,34,35,36,37} .

   Характеристики передачи подводного электрического поля

   Были изучены характеристики подводного электрического поля при различных параметрах, таких как объем воды, положение/размер электрода, соленость, мутность воды и подводные препятствия. На рис. 3 показано затухание подводного электрического поля. В резервуаре для воды размером 3 м × 2 м × 0,4 м (рис. 3а) приемный электрод расположен на некотором расстоянии от передающего электрода. При увеличении расстояния от 1 м до 3 м токовые сигналы практически не меняются (рис. 3б). Это также подтверждается моделированием электрического поля поляризации под водой, показанным на дополнительном рисунке 7. Кроме того, полные сигналы, выдаваемые ТЭНГ, и принимаемые сигналы под водой, а также их преобразования Фурье показаны на дополнительных рисунках. 8–9, показывая, что характеристики сигналов в частотной области остаются неизменными под водой. {{{{{{\boldsymbol{2}}}}}}}{{{{{\boldsymbol{d}}}}}}{{{{{\boldsymbol{V}} }}}}$$

   (7)

   Согласно уравнению. Согласно (7), плотность энергии электрического поля уменьшается с объемом воды V при использовании ТЭН с постоянной выходной мощностью. Следовательно, пиковое значение тока уменьшается с увеличением объема воды.

   Рис. 3: Характеристики передачи подводного электрического поля.

   и Фото эксперимента. b Сравнение исходного тока короткого замыкания ТЭН и полученных токовых сигналов в воде. c Сравнение исходного тока короткого замыкания ТЭН и полученных сигналов при различном объеме воды. d Принципиальная схема электрода. e Сравнение токовых сигналов, полученных в воде с помощью различных передающих и принимающих электродов. Tr, Re и Pl представляют собой передающий электрод, приемный электрод и электродную пластину соответственно. f Сравнение пиковых значений полученных токовых сигналов с разных приемных электродов. Имитационная диаграмма распределения поляризационного электрического поля ( г ) без и ( ч ) с приемным электродом. Цвет представляет интенсивность поляризации. i Изменение электрического поля поляризации и зарядов на приемном электроде в зависимости от расстояния между двумя электродами.

   Изображение в полный размер

   Как показано на рис. 3d–f, силу тока можно увеличить, используя пластину приемного электрода большей площади. При электродной пластине размером 10 см ×5 см пиковое значение токового сигнала увеличивается на 18 % по сравнению с тонким электрическим проводом. Это означает, что большее количество ионов в воде соприкасается с электродом, что подтверждается моделированием электрического поля поляризации под водой, показанным на дополнительном рисунке 10. Кроме того, пиковое значение тока зависит от угла между передающей и принимающей электродными пластинами, но эффект, вызванный углом, очень мал в резервуаре для воды (см. Дополнительные рисунки 11–12), что сильно отличается от случая в биполярном электрическом поле ³⁸ .

   Путем сравнения распределения электрических полей поляризации без приемного электрода и с ним (рис. 3ж, з) установлено, что приемный электрод может изменять распределение электрического поля поляризации. Это можно объяснить тем, что электрод эквивалентен клемме с потенциалом нулевого напряжения. Изменение поляризационного электрического поля и изменение терминальных зарядов в приемном электроде показаны на рис. 3i. Выполняется двумерное моделирование, и распределение электрического поля поляризации, соответствующее рис. 3i, показано на дополнительных рисунках. 13 и 14. Затухание поляризационного электрического поля и терминальные заряды на приемном электроде с расстоянием можно подобрать соответственно 9{a}$$

   (9)

   $${{Q}}_{{r}}={k}_{2}ln{x}+{k}_{3}$$

   ( 10)

   к ₁ , к ₂ , к ₃ и а — параметры на подобранных кривых выходной мощности ТЭН (дополнительные рис. 1.15 и рис. 1.15 и рис. 1. 16). Согласно результатам моделирования, показатель степени x близок к -1 для двухмерного моделирования (дополнительные рисунки 15 и 16) и близок к -2 для трехмерного моделирования (дополнительные рисунки 17 и 18), что составляет соответствии с законом Гаусса.

   Зависимость подводного электрического поля от возмущений в воде представлена ​​на рис. 4. Установлено, что пиковое значение токового сигнала в соленой воде (5 г л ⁻¹ , скорректированное добавлением соли в воду) увеличивается на 40% по сравнению с чистой водой (рис. 4а). Это указывает на то, что ионы в соленой воде могут усиливать поляризационное электрическое поле. Однако увеличение солености воды выше 15 г л ⁻¹ не будет способствовать дальнейшему продвижению текущих сигналов. Точно так же, когда в чистую воду добавляют кислоту или щелочь для изменения pH, концентрация ионов в воде будет меняться, указывая на то, что по мере отклонения pH воды от 7 принимаемые токовые сигналы будут увеличиваться (дополнительный рисунок 19). ). Это может быть связано с улучшенной относительной диэлектрической проницаемостью водного раствора. На рис. 4b, c видно, что форма принятых сигналов идентична исходным, независимо от препятствий или мутности в резервуаре с водой. В этом смысле поляризационное электрическое поле показало устойчивость к препятствиям и мутности воды.

   Рис. 4: Влияние помех на передачу электрического поля под водой.

   a Влияние солености воды на пиковое значение течения. Столбики погрешностей указывают на стандартные отклонения, все значения ≤0,53. б Влияние препятствия на текущие сигналы. c Сравнение полученных токовых сигналов в чистой воде и в мутной воде. d Принципиальная схема буровой платформы с нефтепроводом. e Изменение пикового значения выходного тока короткого замыкания, передаваемого в водопроводе длиной 100 метров. Tr и Re представляют собой передающий и принимающий электроды соответственно. v — скорость течения жидкости. Столбики погрешностей указывают на стандартные отклонения, все значения ≤0,46. f Сравнение сигналов тока короткого замыкания, передаваемых по прямому и изогнутому водопроводу.

   Изображение в полный размер

   Поскольку обеспечение надежной связи по трубе очень важно для системы трубопроводного робота ^39,40 , исследованы характеристики поляризационного электрического поля в жидкостных трубах (рис. 4d–f). На рисунке 4d представлена ​​схема буровой платформы с нефтепроводом. В трубе, заполненной соленой водой, пиковое значение тока также уменьшается с увеличением расстояния между передающим и принимающим электродами. Фактически, значение уменьшается на 66%, когда расстояние между ними составляет 100 м (рис. 4e), что согласуется с результатом моделирования поляризационного электрического поля в трубе (как показано на дополнительном рисунке 20).

   Фактически, столкновение между ионами и молекулами воды может влиять на характеристики электрического поля. Кроме того, интересно обнаружить, что полученные сигналы в спиральной трубе такие же, как и в прямой трубе (рис. 4f). Из дополнительного рисунка 21 видно, что независимо от состояния потока текущие сигналы также могут быть получены в смеси нефти и воды, что означает, что связь поляризационного электрического поля может применяться в сложных трубопроводах.

   Стоит отметить, что связь электрического поля также нечувствительна к температуре воды и освещенности окружающей среды (дополнительный рисунок 22). Дальнейшее сравнение методов акустических, оптических и электромагнитных волн показано в дополнительной таблице 2. Более того, путем изучения влияния грунта на электрическое поле теоретически доказано, что эта система может работать в открытой акватории, как показано в дополнительной таблице. Примечание 7.

   Модуляция и демодуляция подводной электрополевой связи

   Процесс модуляции и демодуляции токовых сигналов для передачи данных в воде показан на рис. 5. Токовые сигналы, преобразованные из звуковых волн ТЭНом, могут быть промодулированы в цифровые сигналы, содержащие информацию текстов или изображений в воде, через электрический полевая связь (рис.  5а). Метод модуляции сигнала основан на двухпозиционной манипуляции (ООК), при которой более длинные сигналы с временными интервалами 50 мс устанавливаются как «1», а более короткие сигналы с временными интервалами 25 мс устанавливаются как «0». Интервал в 25 мс вставляется между каждым цифровым сигналом для разделения соседних цифровых сигналов. После передачи в воде модулированные цифровые сигналы могут быть приняты электрометром (рис. 5б). Основная частота сигналов, генерируемых ТЭНом, составляет 80 Гц, а частота модулированных цифровых сигналов – 16 Гц. В качестве альтернативы цифровые сигналы можно модулировать другими частотами или другими методами (см. Дополнительный рисунок 23a, b). Более высокая частота обеспечивает высокую скорость передачи информации, а более низкая частота обеспечивает сильную защиту от помех.

   Рис. 5: Модуляция и демодуляция токовых сигналов для передачи данных в воде.

   a Принципиальная схема процесса модуляции и демодуляции. b Модулированные цифровые сигналы, передаваемые в воде. c Демодулированные токовые сигналы в слово после передачи в воду. d Часть текущих сигналов, передаваемых для изображения.

   Полноразмерное изображение

   Путем демодуляции принятого сигнала (с кодами MATLAB) можно точно идентифицировать сигналы «0» и «1» (рис. 5b и дополнительный рис. 23c). Текущие сигналы могут быть преобразованы в текст с помощью стандартной кодировки. Полученные сигналы могут быть точно демодулированы в исходный текст (рис. 5c). Дополнительный фильм 1 показывает, что токовые сигналы в реальном времени, генерируемые TENG, модулируются, передаются и демодулируются, а текст, полученный после демодуляции, отображается на экране компьютера. Эту связь по электрическому полю можно также использовать для передачи изображений. На рисунке 5d показана часть полученных токовых сигналов, а полные сигналы показаны на дополнительном рисунке 23d. Изображение размером 2,7 КБ передается за 1353 с со скоростью 16 бит/с (из-за низкой основной частоты ТЭНГ). При непрерывной передаче ~20 000 цифровых сигналов (100 000 рабочих циклов ТЭН) сигнал ошибки отсутствует. Кроме того, путем подачи внешнего переменного тока на электрод из диэлектрического материала электрические сигналы с более высокими частотами (до килогерца) можно модулировать и передавать в воде, демонстрируя, что этот подход можно использовать для высокочастотной связи (см. Дополнительное примечание 8). ).

   Следует отметить, что сравниваются текущие сигналы, выдаваемые ТЭНом, и принимаемые сигналы под водой в диапазоне 60–200 Гц. Оказывается, сигналы, полученные под водой, всегда согласуются по форме с сигналами, выдаваемыми TENG (см. Дополнительный рисунок 24). Более того, спектр мощности получается путем преобразования Фурье модулированных цифровых сигналов и шума. Спектр мощности показывает, что энергия равномерно распределяется в диапазоне частот от 40 кГц до 85 кГц (см. Дополнительный рисунок 25), доказывая, что полоса пропускания системы с водяным каналом превышает 85 кГц.

   Реализация беспроводного управления с помощью подводной электрополевой связи

   Для дальнейшего изучения возможностей подводной беспроводной связи выполняется демонстрационное голосовое управление системой подводного освещения (рис. 6). ТЭН в виде микрофона, который преобразует голос в электрические сигналы, предназначен для беспроводного управления системой подводного освещения (рис. 6а). Сигналы, содержащие голосовую информацию (например, «красный» и «зеленый») передаются в воде и принимаются электрометром (рис. 6б). Выполняя кратковременное преобразование Фурье для сигналов, слова «красный» и «зеленый» можно различить с помощью алгоритма нейронной сети (см. рис. 6c и дополнительный рис. 26). Впоследствии слова преобразуются в цифровые сигналы для управления светом. Этот подход можно применять для голосового управления подводным освещением в реальном времени (рис. 6d и дополнительный фильм 2). Стоит отметить, что вся подводная связь, реализованная ТЭНом, работает от собственного источника питания.

   Рис. 6: Автономная связь на основе ТЭНов для подводной системы беспроводного управления.

   a Принципиальная схема подводного освещения с беспроводным голосовым управлением. b Принятые сигналы «красный» и «зеленый». c Кратковременное преобразование Фурье «красного» и «зеленого». Цвета представляют амплитуды. d Фотография экспериментальной установки голосового управления. e Эксперимент с кнопочным ТЭНом, управляющим автономной системой. ф Фото эксперимента с сенсорным управлением. g Схематическая диаграмма и ( h ) Фотография эксперимента в бассейне размером 50 м × 30 м × 5 м. D — расстояние между двумя электродами. i Принятые текущие сигналы под водой.

   Увеличить

   При этом устройство приема и контроля сигналов в воде может быть спроектировано самостоятельно. Прикоснувшись к ТЭНу кнопочного типа (режим разделения контактов), люди могут использовать электричество для управления независимой рабочей системой в воде (см. рис. 6e, f и дополнительный фильм 3). Независимая рабочая система состоит из платы сбора слабого тока, однокристального микрокомпьютера, батарей, реле и подводного рабочего фонаря. Импульсные сигналы, генерируемые ТЭНом, собираются платой сбора слабого тока, а аналоговые сигналы преобразуются в цифровые сигналы, отправляемые на микроконтроллер. Одночиповый микрокомпьютер обрабатывал цифровые сигналы и управлял подводным рабочим светом.

   В другом демонстрационном эксперименте сэндвич-образный ТЭН (S-ТЭН) с выходным током 60  мкА развернут в бассейне размером 50 м × 30 м × 5 м (со всеми границами, соединенными с землей, см. рис. 6g , ч. При встряхивании S-TENG токовые сигналы, выдаваемые S-TENG, могут передаваться в воде и приниматься приемным электродом на расстоянии 5 м от передающего электрода. Примечание 9), который отправляет сигналы на компьютер через Wi-Fi, а затем формы сигналов отображаются на экране (рис. 6i и дополнительный фильм 4).

   Обсуждение

   Таким образом, предлагается и исследуется подводная связь через ток смещения Максвелла. В токе смещения Максвелла первый член ∂ E /∂ t порождает электромагнитные волны. Однако в подводных условиях высокочастотные электромагнитные волны могут легко поглощаться, а низкочастотные электромагнитные волны могут передаваться только через антенну в несколько километров. В данном исследовании второй член (∂ P /∂ t ) течение смещения Максвелла используется для подводной связи. Акустический ТЭН, подключенный к передающему электроду, применяется для создания переменного электрического поля в воде, так что звук в воздухе может быть преобразован в подводные электрические сигналы, которые можно измерить с помощью приемного электрода, подключенного к электрометру. Через трубу с соленой водой длиной 100 м пиковое значение токового сигнала уменьшается на 66% по сравнению с исходным сигналом, при этом электрические сигналы не искажаются по форме при передаче.

   На основе метода включения-выключения тексты и изображения были успешно переданы с помощью модулированных токовых сигналов в резервуаре с водой со скоростью 16 бит/с. При непрерывной передаче около 20 000 цифровых сигналов не возникает ни одной ошибки. Успешно преобразовывая голоса в текущие сигналы, TENG может управлять системой подводного освещения без проводов. Более того, токовые сигналы, выдаваемые сэндвич-подобным ТЭНом, могут передаваться в бассейн размером 50 м × 30 м × 5 м с отображением сигналов на экране в режиме реального времени. По сравнению с традиционной звуковой, оптической и электромагнитной связью, подводная связь через ток смещения Максвелла кажется менее уязвимой к помехам, что демонстрирует значительный потенциал для применения в сложных подводных условиях.

   Методы

   Изготовление ТЭНов

   ВР-ТЭН в экспериментах состоит из резонансного резонатора Гельмгольца, алюминиевой пленки с акустическими отверстиями и пленки ФЭП с токопроводящим электродом, напечатанным чернилами. Размер резонатора составляет 73 мм × 73 мм × 40 мм. На резонаторе закреплены две трубки с внутренним диаметром 5,0 мм и длиной 32 мм. Алюминиевая пленка с 440 равномерно распределенными акустическими отверстиями действует как электроположительный трибоэлектрический слой. Длина, ширина и толщина пленки составляют 45 мм, 45 мм и 0,1 мм соответственно, а диаметр отверстий 0,5 мм. Пленка ФЭП используется в качестве электроотрицательного трибоэлектрического слоя из-за ее сильной электроотрицательности и хорошей гибкости. Он имеет толщину 12,5 мкм и рабочую площадь 45 мм × 45 мм. Учитывая, что материал ФЭП изолирован, токопроводящий чернильный электрод толщиной в микрон прикрепляется к другой стороне пленки ФЭП для переноса электронов. Устройство трафаретной печати (Tou) используется для печати токопроводящей краской (CH-8(MOD2)) на пленке FEP (WitLan). Оболочка напечатана на 3D-принтере из материала PLA.

   TENG для распознавания голоса похож на HR-TENG, за исключением того, что он не имеет трубчатой ​​конструкции, а имеет отверстие размером 45 мм × 45 мм с одной стороны резонатора. Расстояние между контактами ФЭП и алюминиевой пленки составляет ~0,2 мм. Структура мембраны кнопочного ТЭНа такая же, как у HR-ТЭН без полости.

   Акриловая пластина однослойного S-TENG имеет толщину 5 мм и диаметр 10 см. Два алюминиевых электрода толщиной 50 мкм и площадью 6 см × 4 см параллельно прикреплены к двум сторонам акриловой пластины. Шарики из ПТФЭ диаметром 10,5 мм заполняют между двумя акриловыми пластинами и производятся компанией 3 М. Каждый блок S-TENG состоит из 10 слоев S-TENG, уложенных друг на друга в параллельном соединении, и оболочки из акрилового блока. Оболочка из акрилового блока имеет диаметр 10 см и высоту 20 см. В блоке S-TENG есть четыре медных конца переменного тока, одна пара вверху, а другая пара внизу. Буй состоит из 5 блоков S-TENG в качестве силового модуля и акриловой оболочки в качестве рамной конструкции. Блоки СТЭН, встроенные внутрь, соединены параллельно для получения синфазного электрического выхода переменного тока и закреплены упаковочной лентой.

   Экспериментальное технологическое и измерительное оборудование

   Выходные сигналы измеряются электрометром Keithley 6514. HR-TENG установлен на оптической пластине с громкоговорителем (JBL), приводимый в действие синусоидальными волнами от функционального генератора (YE1311). Один электрод ТЭН заземлен, а другой погружен в воду. Провода, используемые для электродов, имеют медную жилу диаметром 0,3 мм, а электродные пластины представляют собой медные пленки размером 100 × 50 ×0,06 мм. Водопроводная труба, используемая в эксперименте, представляет собой обычную водопроводную трубу из резины ПВХ с внутренним диаметром 13  мм. Двигатель постоянного тока 12 В используется для управления потоком жидкости в трубе. Модулятор сигнала состоит из отладочной платы микроконтроллера (STM32F7) и реле. Интерфейс MATLAB в LABVIEW используется для демодуляции и отображения сигналов в реальном времени, измеренных электрометром. Сигналы, генерируемые управляемым голосом TENG, необходимо фильтровать на частоте 50 Гц и ее гармониках после приема.

   Передающий электрод в воде и алюминиевый электрод ТЭНа соединены обычным медным проводом. HR-TENG применяется для преобразования звука в воздухе в электрические сигналы в воде. Таким образом, можно получить акустические волны с определенными частотами, управляя генератором сигналов и громкоговорителем. Кроме того, при возбуждении акустических волн HR-TENG может генерировать электрические сигналы с определенными частотами для проверки эффективности подводной связи. ТЭН кнопочного типа — это базовый и часто используемый ТЭН с простейшей конструкцией. Применение ТЭНов кнопочного типа доказывает, что подводная связь может быть реализована с помощью обычных ТЭНов, демонстрируя потенциал применения этого подхода.

   Численное моделирование

   Для проверки точности полученной теории и экспериментальных результатов для численного моделирования использовалось программное обеспечение COMSOL Multiphysics. В моделировании используются модули AD/DC, электростатические интерфейсы и анализ переходных состояний. Смоделировано распределение поляризационного электрического поля и терминального заряда приемного электрода. Поскольку размер элемента влияет на результаты расчета, при моделировании была принята опция сверхмелкой сетки. Для трехмерного моделирования размер модели ограничен 15 м. Двухмерное моделирование используется для анализа затухания электрического поля на большем расстоянии. Погрешность 3D моделирования зависит от размера сетки и масштаба модели.

   Доступность данных

   Данные, подтверждающие это исследование, доступны в статье и во вспомогательной информации. Исходные данные приводятся вместе с настоящей статьей.

   Ссылки

   1. Эйспеерт, А. Дж. Биоробототехника: использование роботов для имитации и исследования гибкого передвижения. Наука 346 , 196–203 (2014).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

   2. Чен, Ю., Доши, Н., Голдберг, Б., Ван, Х. и Вуд, Р. Дж. Управляемый переход водной поверхности к подводному через электросмачивание в гибридном наземно-водном микророботе. Нац. коммун. 9 , 2495 (2018).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   3. «>

      Криг, М., Нельсон, К. и Мохсени, К. Распределенное измерение для компенсации гидродинамических возмущений и управления движением интеллектуальных роботов. Нац. Мах. Интел. 1 , 216–224 (2019).

      Артикул Google ученый

   4. Цзоу Ю. и др. Бионический растягивающийся наногенератор для подводного зондирования и сбора энергии. Нац. коммун. 10 , 2695 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   5. Jaffe, J.S. et al. Рой автономных миниатюрных подводных роботов-дрифтеров для изучения субмезомасштабной динамики океана. Нац. коммун. 8 , 14189 (2017).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

   6. Katzschmann, R.K., Delpreto, J., Maccurdy, R. & Rus, D.J.S.R. Исследование подводной жизни с помощью акустически управляемой мягкой роботизированной рыбы. Науч. Робот. 3 , eaar3449 (2018).

      Артикул Google ученый

   7. Хаттаб, Г., Эль-Тархуни, М., Аль-Али, М., Джуде, Т. и Каддуми, Н. Сеть подводных беспроводных датчиков с реалистичной моделью потерь радиочастотного тракта. Междунар. Дж. Распредел. Сенсорная сеть 9 , 188–192 (2013).

      Артикул Google ученый

   8. Саид Н., Челик А., Аль-Нафури Т.Ю. и Алуини М.-С. Подводная оптическая беспроводная связь, создание сетей и локализация: обзор. Специальная сеть. 94 , 101935 (2019).

      Артикул Google ученый

   9. Килфойл Д. Б. и Баггероер А. Б. Современное состояние подводной акустической телеметрии. IEEE Дж. Оушен. англ. 25 , 4–27 (2000).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   10. «>

       Ван, В., Лю, Дж., Се, Г., Вэнь, Л. и Чжан, Дж. Система электросвязи на основе биотехнологий для небольших подводных роботов. Биоинспир Биомим. 12 , 036002 (2017).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   11. Симпсон, Дж. А., Хьюз, Б. Л. и Мут, Дж. Ф. Интеллектуальные передатчики и приемники для подводной оптической связи в открытом космосе. IEEE J. Сел. Районы общ. 30 , 964–974 (2012).

       Артикул Google ученый

   12. Чен, Ю. Т., Ван, В., Ли, Л., Келли, Р. и Се, Г. Влияние препятствий на электросвязь с приложениями для обнаружения объектов подводными роботами. Биоинспир Биомим. 14 , 056011 (2019).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   13. Акилдиз И. Ф., Ван П. и Сун З. Реализация подводной связи с помощью магнитной индукции. IEEE Комм. Маг. 53 , 42–48 (2015).

       Артикул Google ученый

   14. Че, X., Уэллс, И., Диккерс, Г., Кир, П. и Гонг, X. Переоценка радиочастотной электромагнитной связи в подводных сенсорных сетях. Комм. IEEE. Маг. 48 , 143–151 (2010).

       Артикул Google ученый

   15. Ван, З. Л. О теории первых принципов наногенераторов из уравнений Максвелла. Nano Energy 68 , 104272 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   16. Ван, З. Л. Трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ) — революция в области энергетики и датчиков. Доп. Энергия Матер. 10 , 2000137 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   17. Wang, Z.L. Наногенераторы, автономные системы, голубая энергия, пьезотроника и пьезофототроника – напоминание об первоначальных идеях создания этих областей. Nano Energy 54 , 477–483 (2018).

       КАС Статья Google ученый

   18. Ван, З. Л. О токе смещения Максвелла для энергии и датчиков: происхождение наногенераторов. Матер. Сегодня 20 , 74–82 (2017).

       Артикул Google ученый

   19. Qiu, C., Wu, F., Lee, C. & Yuce, M.R. Интерфейс управления с автономным питанием на основе кода Грея с гибридным трибоэлектрическим и фотогальваническим сбором энергии для умного дома IoT и приложений контроля доступа. Нано Энергия 70 , 104456 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   20. Ву, З. и др. Гибридный трибоэлектро-электромагнитный сборщик энергии водяных волн на основе магнитной сферы. ACS nano 13 , 2349–2356 (2019).

       КАС пабмед Google ученый

   21. «>

       Xiao, T. X. et al. Трибоэлектрический наногенератор на основе силикона для сбора энергии волн воды. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 10 , 3616–3623 (2018 г.).

       КАС Статья Google ученый

   22. Wang, Y. et al. Многофункциональный ветрозащитный барьер на основе трибоэлектрического наногенератора для выработки электроэнергии, автономного датчика скорости ветра и высокоэффективного ветрового стекла. Nano Energy 73 , 104736 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   23. Wang, F. et al. Гибридные трибоэлектрические наногенераторы, вдохновленные ветряными мельницами, интегрированы со схемой управления питанием для сбора энергии ветра и акустической энергии. Nano Energy 78 , 105244 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   24. «>

       Ван, З. Л. Трибоэлектрические наногенераторы как новая энергетическая технология для автономных систем и как активные механические и химические датчики. СКД Нано 7 , 9533–9557 (2013).

       КАС Статья Google ученый

   25. Ян Х. и др. Трибоэлектрические микромоторы, приводимые в действие сверхнизкочастотными механическими раздражителями. Нац. коммун. 10 , 2309 (2019).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   26. Wang, H. et al. Смена парадигмы: полностью автономное решение для беспроводного зондирования на большие расстояния, работающее на токе смещения, вызванном разрядом. Науч. Доп. 7 , eabi6751 (2021).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   27. Чжао, Х. и др. Двухтрубный трибоэлектрический наногенератор на основе резонатора Гельмгольца для высокоэффективного сбора акустической энергии. Доп. Энергия Матер. 9 , 1

   4 (2019).

   КАС Статья Google ученый

   28. Йи, Х. и Сюн, Л. Влияние электрического поля на выходные характеристики трибоэлектрических наногенераторов. Дж. Вычисл. Электрон. 19 , 1670–1677 (2020).

       Артикул Google ученый

   29. Аль-Шаммаа, А. И., Шоу, А. и Саман, С. Распространение электромагнитных волн на частотах МГц в морской воде. IEEE Trans. Антенны Распространение. 52 , 2843–2849 (2004).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

   30. Сюй, М. и др. Башенный трибоэлектрический наногенератор с высокой плотностью мощности для сбора энергии волн произвольного направления. ACS nano 13 , 1932–1939 (2019).

       КАС пабмед Google ученый

   31. «>

       Xiao, X. et al. Трибоэлектрический наногенератор с сотовой структурой для высокоэффективного сбора энергии вибрации и контроля состояния двигателя с автономным питанием. Доп. Энергия Матер. 9 , 1

       0 (2019).

       КАС Статья Google ученый

   32. Wang, H. et al. Сэндвич-подобные трибоэлектрические наногенераторы интегрировали буй с автономным питанием для обеспечения безопасности судоходства. Nano Energy 84 , 105920 (2021).

       КАС Статья Google ученый

   33. Xi, Y. et al. Высокоэффективный сбор энергии подводных ультразвуковых волн трибоэлектрическим наногенератором. Nano Energy 38 , 101–108 (2017).

       КАС Статья Google ученый

   34. Chen, C. et al. Микротрибоэлектрический ультразвуковой прибор для передачи акустической энергии и передачи сигналов. Нац. коммун. 11 , 4143 (2020).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

   35. Вивеканантхан В., Чандрасекар А., Аллури Н. Р., Пурусотаман Ю. и Ким С.-Дж. Высоконадежный, непроницаемый и устойчивый трибоэлектрический наногенератор в качестве активного датчика давления с нулевым энергопотреблением. Наномасштаб Adv. 2 , 746–754 (2020).

       ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

   36. Саху, М. и др. Синергетическое улучшение характеристик сбора энергии в трибоэлектрическом наногенераторе с использованием сегнетоэлектрической поляризации для автономной передачи ИК-сигналов и мониторинга активности тела. Дж. Матер. хим. А 8 , 22257–22268 (2020).

       КАС Статья Google ученый

   37. Чандрасекар А. , Аллури Н. Р., Вивеканантхан В., Парк Дж. Х. и Ким С.-Дж. Устойчивый биомеханический поглотитель энергии для самостоятельной интерактивной умной головоломки без батареек для детей. ACS Sustain. хим. англ. 5 , 7310–7316 (2017).

       КАС Статья Google ученый

   38. Джо Дж., То С. Х. ОКЕАНЫ 2007 — Европа (Абердин, Великобритания, 2007 г.).

   39. Qi, H., Zhang, X., Chen, H. & Ye, J. Система отслеживания и локализации для трубопроводного робота. Мехатроника 19 , 76–84 (2009).

       Артикул Google ученый

   40. Ланбо, Л., Шэнли, З. и Джун-Хонг, К. Перспективы и проблемы беспроводной связи для подводных сенсорных сетей. Провод. коммун. Моб. вычисл. 8 , 977–994 (2008).

       Артикул Google ученый

   Ссылки на скачивание

   Благодарности

   Авторы выражают благодарность за совместную поддержку Национального ключевого научно-исследовательского проекта со стороны министра науки и технологий (2021YFA1201600, Z. L.W.), Национального фонда естественных наук Китая (гранты No. 51879022, 51979045, MYX), Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов Китая (грант № 3132019330, MYX) и Специальный инновационный фонд Цинхуа-Фошань (TFISF, грант № 2020THFS0109)., W.B.D.).

   Информация об авторе

   Примечания автора

   1. Эти авторы внесли равный вклад: Хунфа Чжао, Миньи Сюй, Минжуй Шу.

   Авторы и филиалы

   1. Морской инженерный колледж, Даляньский морской университет, 116026, Далянь, Китай

      Хунфа Чжао, Миньи Сюй, Минжуй Шу, Сянюй Лю, Сиюань Юань, Хонгонгао Ван, Конгонг Чуан Ван, Сяньпин Фу, Синьсян Пань и Гуанмин Се

   2. Шэньчжэньский институт Цинхуа-Беркли, Международная высшая школа Цинхуа, Шэньчжэнь, Университет Цинхуа, 518055, Шэньчжэнь, Китай

      Хунфа Чжао и Венбо Дин

   3. Пекинский институт наноэнергетики и наносистем, Пекин, Китай0 Академия наук108, Китай

      Jie An & Zhong Lin Wang

   4. Южная морская научно-техническая лаборатория Гуандун (Гуанчжоу), Гуанчжоу, 511458, КНР

      Guangming Xie

   5. Инженерный колледж Пекинского университета, Пекин, 100871, КНР

      Гуанмин Се

   6. Школа материаловедения и инженерии, Технологический институт Джорджии, Атланта, Джорджия, 30332-0245, США

      3 Чжун Линь 03 Wang

   Авторы

   1. Hongfa Zhao

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   2. Миньи Сюй

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   3. Mingrui Shu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   4. Jie An

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   5. Wenbo Ding

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   6. Xiangyu Liu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   7. Siyuan Wang

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   8. Cong Zhao

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

   9. Hongyong Yu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   10. Hao Wang

       Просмотр публикаций автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   11. Chuan Wang

       Просмотр публикаций автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   12. Xianping Fu

       Просмотр публикаций автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   13. Xinxiang Pan

       Просмотр публикаций автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   14. Guangming Xie

       Просмотр публикаций автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   15. Zhong Lin Wang

       Посмотреть публикации автора

       Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

   Contributions

   M. X., Z.L.W. и G.X. курировал и руководил проектом; Х.З., М.Х., М.С. и Х.В. задумал идею и разработал эксперимент. H.Z., J.A., C.Z., S.W. и H.Y. изготовили приборы и провели эксперименты; HZ, XL и CW сделали теоретические расчеты; H.Z, W.D., X.F. и X.P. обсудили эксперимент и результаты; Х.В., М.Х. и Х.З. написал рукопись. Все авторы обсуждали и рецензировали рукопись.

   Авторы переписки

   Переписка с Миньи Сюй, Гуанмин Се или Чжун Линь Ван.

   Заявление об этике

   Конкурирующие интересы

   Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

   Рецензирование

   Информация о рецензировании

   Nature Communications благодарит Xuhui Sun, Мухаммада Тахира и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.

   Дополнительная информация

   Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

   Дополнительная информация

   Дополнительная информация

   Описание дополнительных дополнительных файлов

   Дополнительный фильм 1

   СОЗДАТЕЛЬНЫЙ ПРОИЗВОДСТВО 2

   9000 2

   СОЗДАНИЕ

   9000 9000 9000 2

   СПОСМИНА

   9000 9000

   .0147

   Исходные данные

   Исходные данные

   Права и разрешения

   Открытый доступ формате, если вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

   Перепечатка и разрешения

   Об этой статье

   Комментарии

   Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

   Сообщение о ценности воды: Азбука водного общения

   Стефани Завала

   ---

   Вода — это жизнь. Это броский лозунг, настолько простой в своей истине, что мы часто пропускаем лес за деревьями. Вода — это буквально жизнь.

   Тем не менее, современные водоочистные сооружения, инфраструктура распределения и операционные системы сделали дар воды настолько доступным, что люди забыли, насколько драгоценны те капли, которые легко текут из их кранов. Отходы, которые мы производим, исчезают в канализации или в унитазе, а оставшуюся часть пути мы умываем руки.

   Итак, как нам сообщить об истинной ценности воды? Что еще более важно, почему это так важно?

   Широкая общественность не знает и часто безразлична к ценности систем водоснабжения и водоотведения. Но это не меняет того факта, что водопровод в Америке ломается каждые 2 минуты. И, по данным Американского общества инженеров, в течение следующих двадцати лет потребуются инвестиции в размере 4,8 триллиона долларов для ремонта и обслуживания национальной водной инфраструктуры.

   Легче увидеть, осмотреть и поддерживать медленно разрушающуюся инфраструктуру, поэтому федеральные деньги и внимание общественности часто направляются на дороги и мосты, а не на инфраструктуру, скрытую глубоко под землей. С глаз долой, из сердца вон, да?

   Поскольку федеральных долларов не хватает, коммунальные службы требуют больше от своих клиентов, и повышение тарифов происходит все чаще. Хотя повышение ставок необходимо для решения проблем, которые, вероятно, повлияли на повседневную жизнь людей, широкая общественность чувствует себя проигравшей стороной в сделке. Можем ли мы действительно обвинять общественность в ее скептицизме, если люди слышат от своего водоканала только о финансировании или когда что-то идет не так? Когда большая часть наших инвестиций зарыта в землю, а наши люди работают за пресловутым занавесом, как нам заручиться финансовой поддержкой и поддержкой клиентов, от которых мы зависим?

   Одним словом? Коммуникация.

   В Rogue Water мы подходим к каждому коммуникационному проекту через определенную призму, используя азбуку водной коммуникации: оценка, брендинг, содержание, стратегия. Наличие простой структуры создает культуру общения, необходимую для завоевания доверия и поддержки клиентов. Общественное доверие является краеугольным камнем устойчивых предприятий водоснабжения. Вот четыре вещи, о которых следует помнить при общении с общественностью.

   Оценка:

   «Если вы не знаете, куда идете, любая дорога приведет вас туда».
   – Льюис Кэрролл, автор

   Определите показатели, наиболее значимые для вашей организации. Какова ваша миссия? Каковы приоритеты совета? Как метрики могут продемонстрировать приверженность миссии и приоритетам? Имейте в виду, что то, что вы измеряете, может не уместиться в электронной таблице, но это не делает его менее ценным. Например, поскольку коммуникативные усилия со временем меняют поведение, может быть важнее отслеживать снижение количества гневных звонков с течением времени, чем ежемесячное отслеживание показов на Facebook. В конце концов, охват имеет значение только при наличии вовлеченности, а вовлеченность — это путь к изменению поведения.

   Брендинг:

   «Бренд — это совокупность ожиданий, воспоминаний, историй и взаимоотношений, которые в совокупности объясняют решение покупателя отдать предпочтение одному продукту или услуге, а не другому».
   – Сет Годин, писатель и предприниматель

   Клиенты не могут выбирать своих поставщиков воды и сточных вод, но у них есть выбор, поддерживать вас или бороться с вами. Только один из этих результатов ведет к прогрессу. Вот тут-то и появляется брендинг. Брендинг — один из самых неправильно понимаемых элементов коммуникации в водной отрасли. Брендинг — это больше, чем ваш логотип, слоган или цветовая схема — это душа вашей организации. Ваш бренд — это то, как вы демонстрируете ценностное предложение вашей организации, а ценность — это валюта, которая всегда должна быть взаимной. Итак, инвестируйте в создание бренда, который не только четко передает вашу индивидуальность, но и создает прочные связи с сообществом. Тогда единственный логичный выбор для потребителей — поддержать вас.

   Содержание:

   «Никто никогда не штурмовал Вашингтон из-за круговой диаграммы».
   – Кендалл Хейвен, автор

   Ваш контент должен постоянно рассказывать историю вашего бренда. «История» может показаться просто модным словом, но исследования в области нейробиологии показывают, что факты и цифры сами по себе не влияют на аудиторию — эмоции необходимы для вовлечения. То, что мы имеем дело с жизнью, смертью и холодом, не означает, что мы всегда должны формулировать это именно так. Баба Диуом однажды сказал: «В конце концов, мы сохраним только то, что любим. Мы будем любить только то, что понимаем. Мы поймем только то, чему нас учат». Когда мы стремимся учить равнодушную, отстраненную публику, мы должны найти повествование, которое прорвется сквозь шум и захватит их за душу. Это происходит только через историю.

   Стратегия:

   «Произведение искусства не существует вне восприятия зрителя».
   – Аббас Киаростами, режиссер

   Распространенное заблуждение состоит в том, что, поскольку все используют воду, все являются зрителями. Однако, когда вы пытаетесь достичь всех, вы, по сути, не достигаете никого. Подумайте об этом с точки зрения старой поговорки о недвижимости: «место, место, место». Для эффективной коммуникации поговорка будет «аудитория, аудитория, аудитория». Расскажите свою историю, но говорите на языке аудитории, к которой вы стремитесь. Не угадывайте, чего они хотят или ценят. Спроси их. Инвестируйте в опросы и исследования рынка, чтобы удовлетворить потребности каждого сегмента аудитории там, где они есть. Спросите себя: «Полезен ли этот контент для моей аудитории?» Если ответ «нет», выясните, что имеет для них значение.

   Связь — это не проект

   В водном хозяйстве преобладают инженеры. Инженеры — прирожденные решатели проблем: найдя решение для конкретного проекта, они переходят к следующему проекту. Однако общение — это не проект; это отношения, в которых работа никогда не делается. Пусть это не пугает вас в начале разговора. Предприятие водоснабжения, которое инвестирует в надлежащее общение с сообществом, которое оно обслуживает, инвестирует в благополучие людей, составляющих это сообщество. И это то, что не останется незамеченным или ненаградным.

   ---

   Стефани Завала — соучредитель и генеральный директор Rogue Water, компании по связям с общественностью, занимающейся вопросами водного хозяйства. Она также является соавтором и соведущей подкаста «Вода в реальной жизни» вместе с Арианной Шипли, вместе известной как The h3duO.

   Метки: связь, h3duO, Июнь 2019 г. Версия для печати

   Поделиться этой публикацией

   Твитнуть

   Общение с потребителями воды: повышение уровня с помощью IVR время, когда вам нужно донести до клиентов важную информацию. От предупреждений о перебоях в обслуживании до уведомлений о кипячении воды — эти сообщения являются важной частью связи между вашей организацией и клиентами.

   Есть ли у вас система, обеспечивающая своевременную связь с нужными людьми?

   Многие водоканалы перегружены устаревшими технологиями, что мешает им поддерживать связь с жителями. Эти организации годами обходятся без обновлений, оставляя им неточные решения, для использования которых требуется много ручных усилий.

   Если это описывает ситуацию в вашем офисе, существует решение, относительно быстрое и простое в реализации: интерактивный голосовой ответ (IVR). Благодаря современному IVR-решению вы и ваши клиенты сможете поддерживать более тесный контакт, чем когда-либо.

   Преодоление неточных коммуникаций с клиентами

   Когда вам нужно связаться с каждым клиентом, охваченным услугами водоснабжения, как вы выполняете этот процесс? Если ваш офис слишком зависит от устаревших технологий, ответ может включать методы, которые являются неточными, неэффективными или и тем, и другим.

   Чтобы отправить важное сообщение, например уведомление о необходимости вскипятить воду, вы можете в конечном итоге обратиться в местные службы экстренной помощи и использовать «обратный вызов 911». Однако у этого подхода есть много недостатков. 911 система диспетчеризации для вашего региона может не совсем соответствовать вашим потребителям воды. Это означает, что люди, которые нуждаются в сообщении, не получают его, в то время как домохозяйства, которые не затронуты, получают звонок.

   Внутренняя база данных телефонных номеров клиентов и адресов электронной почты может быть еще одним способом связи в экстренных случаях. Это потенциально более точно, чем использование системы 911, но более обременительно для вашего персонала. Отслеживание обновлений контактной информации может быть проблемой, а создание исходящих сообщений требует времени и усилий.

   Работа, которую ваши сотрудники выполняют по управлению списками контактов и созданию сообщений, тем меньше времени у них остается на выполнение других обязанностей в офисе. Таким образом, поиск эффективного и точного способа связаться с вашими потребителями воды может повысить производительность вашего персонала, а также гарантировать, что каждое сообщение будет доставлено.

   Здесь на помощь приходит IVR.

   Мощь современного IVR

   Использование решения IVR для замены устаревших методов связи обеспечивает немедленное ускорение повседневной работы вашего водоканала. Вы можете начать внедрение IVR, заменив неэффективные устаревшие технологии, а затем добавив дополнительные возможности, которые обеспечат еще большую отдачу.

   Ваша команда почувствует разницу между IVR и традиционным общением с первого уведомления о кипячении воды, отправленного с новой системой. Когда у вас есть технология IVR, процесс охвата всей базы потребителей воды становится действием в один клик. Система, интегрированная с вашим инструментом управления взаимоотношениями с клиентами (CRM), автоматически связывается с каждым пострадавшим домохозяйством.

   Важно отметить, что, несмотря на словосочетание «голос» в названии, IVR может общаться с вашими клиентами через выбранный ими канал связи. Это может включать автоматический телефонный звонок, электронную почту или текстовое сообщение. В эпоху, когда предпочтения в отношении контактов быстро меняются, общение с клиентами с помощью этих разнообразных средств — самый надежный способ достучаться до них.

   Дополнительные преимущества IVR

   Несмотря на то, что такой уровень охвата клиентов одним щелчком мыши является мощным способом повышения точности и простоты использования ваших коммуникаций, это также лишь один из аспектов того, что может предоставить IVR. «Ответная» часть IVR — еще один важный инструмент для экономии времени.

   Когда клиенты звонят в ваш офис с вопросами или для выполнения простых операций, автоматизированная система может поддерживать несколько видов услуг без вмешательства вашего персонала. Это особенно полезно во время перерывов в обслуживании, когда звонки клиентов являются обычным явлением, а время сотрудников в большом почете.

   Усовершенствованное современное решение IVR может предоставлять услуги, включая обновление статуса счета, и даже позволять клиентам оплачивать свои счета по телефону. Каждое действие, которое вы автоматизируете с помощью IVR, сокращает время в расписании сотрудников и обеспечивает бесперебойную работу офиса.

   Часть интегрированного набора технологий

   Как только вы начнете искать способы улучшить обслуживание своих потребителей воды с помощью интеграции новых технологий, вам не нужно останавливаться на IVR. Водоканалы могут использовать те же типы систем управления отключениями (OMS), которые используются поставщиками электроэнергии и оптоволокна, для мониторинга состояния инфраструктуры и обеспечения быстрого и эффективного решения проблем.

   Сегодня ожидания потребителей коммунальных услуг меняются. Более широкое использование удобных и удобных технологий во всех сферах жизни упростило общение с компаниями всех видов. Внедрив IVR, вы сможете идти в ногу с этой тенденцией и поддерживать постоянный контакт со своими клиентами.

   Когда возникает срочная необходимость связаться с жильцами, например, извещение о кипячении воды или перебое в обслуживании, вы оцените удобство исходящей связи IVR одним щелчком мыши.