Ultra-high thermal effusivity materials for resonant ambient thermal energy harvesting

Materials science has made progress in maximizing or minimizing the thermal conductivity of materials; however, the thermal effusivity - related to the product of conductivity and capacity - has received limited attention, despite its importance in the coupling of thermal energy to the environment. Herein, we design materials that maximize the thermal effusivity by impregnating copper and nickel foams with conformal, chemical-vapor-deposited graphene and octadecane as a phase change material. These materials are ideal for ambient energy harvesting in the form of what we call thermal resonators to generate persistent electrical power from thermal fluctuations over large ranges of frequencies. Theory and experiment demonstrate that the harvestable power for these devices is proportional to the thermal effusivity of the dominant thermal mass. To illustrate, we measure persistent energy harvesting from diurnal frequencies, extracting as high as 350 mV and 1.3 mW from approximately 10 °C di urnal temperature differences.United States. Office of Naval Research (Award N00014-16-1-2144

Удосконалення інструментарію діагностики підземних трубопроводів нафтогазових підприємств на основі урахування змін внутрішнього робочого тиску

A new criterion of strength and a set of informative parameters have been devised for modelling the stressed-strained state (SSS) of the underground metal pipeline (UMP) taking into consideration the system of defects of the cavity type, atop of which there is a crack.We have inspected the surface of pipes made from structural carbon steel 20, which are exposed to the internal hydrostatic pressure. It has been proposed that the strength criterion of a pipe's metal, which is in contact with the soil electrolyte, should take into consideration the stages of elastic and plastic deformation.The strength criterion has been supplemented with ratios for a corrosion current (the Kaesche type) and internal pressure, which acts on a cylindrical pipe, taking into consideration the inelastic energy characteristic of the surface layer.For a pipeline, in a neutral soil environment, we have measured polarization potentials and corrosion currents using the PPM (polarization capacity meter) and CCM (contactless current meter) equipment. Results measure respective defects of the cavity type (pitting), formed at the outer surface of an underground pipeline.For five variants of internal pressure pi=5.5¸7.5 MPa, the CCM and PPM devices determined  currents and voltages for characteristic surface defects and, based on them, we have estimated the effective time it takes for a crack to reach critical depth (a pipe resource), as well as the reliability parameter b (a safety characteristic).By comparing results from experimental study and appropriate calculations it has been established that the relative changes in the rate of corrosion Vcor is 2.8 times, and, accordingly, the UMP resource parameter tR is 3.1 times, larger, while the reliability parameter b is 6.9 times less, than the relative changes in internal pressure changes pT.Based on analysis of the parameter tR, which characterizes the UMP resource, it has been found that this dependence tR on internal pressure pT is nonlinear and tends to saturation.The specified information is important for improving the methods of control over UMP at oil and gas enterprises, specifically, procedures for correct estimation of anode current density in metal defects at the outer surface of an underground pipeline, taking into consideration changes in internal hydrostatic pressureСформирован новый критерий прочности и множество информативных параметров для моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) подземного металлического трубопровода (ПМТ) с учетом системы дефектов типа каверны, в вершине которой находится трещина.Проведено обследование поверхности труб с конструкционной углеродистой стали 20, на которые действует внутреннее гидростатическое давление. Предложено для критерия прочности металла трубы, который контактирует с почвенным электролитом, учитывать стадии упругой и пластической деформаций.Критерий прочности металла дополнен соотношениями для коррозионного тока (типа Kaesche) и внутреннего давления, действующего на цилиндрическую трубу, с учетом неупругой энергетической характеристики поверхностного слоя.Для трубопровода в нейтральной почвенной среде проведены измерения поляризационных потенциалов и коррозионных токов. аппаратурой ВПП (измерителем поляризационного потенциала) и БВС (бесконтактным измерителем тока). Результаты измерений соответствуют дефектам типа каверн (питтингам), которые образовались на внешней поверхности подземного трубопровода.Для пяти вариантов внутреннего давления pi=5,5¸7,5 МPa приборами БВС и ВПП определены токи и напряжения и на их основе определено эффективное время достижения трещиной критической глубины (ресурс трубы), а также параметр надежности (характеристику безопасности) b.Из сопоставления результатов экспериментальных исследований и соответствующих расчетов установлено, что относительные изменения скорости коррозии Vcor в 2,8 раза и, соответственно, параметра ресурса ПМТ tR в 3,1 раза больше, а параметра надежности b в 6,9 раз меньше, чем относительные изменения внутреннего давления pT.На основе анализа параметра tR, характеризующего ресурс ПМТ, установлено, что эта зависимость tR от внутреннего давления pT нелинейная и стремится к насыщению.Отмеченная информация является важной для совершенствования методов контроля ПМТ нефтегазовых предприятий, в частности, методик корректного оценивания плотности анодного тока в дефектах металла с учетом изменения внутреннего гидростатического давленияСформовано новий критерій міцності та множину інформативних параметрів для моделювання напружено-деформованого стану (НДС) підземного металевого трубопроводу (ПМТ) з урахуванням системи дефектів типу каверна, у вершині якої знаходиться тріщина.Проведено обстеження поверхні труб із конструкційної вуглецевої сталі 20, на які діє внутрішній гідростатичний тиск. Запропоновано для критерію міцності металу труби, який контактує з грунтовим електролітом, враховувати стадії пружної та пластичної деформацій.Критерій міцності доповнено співвідношеннями для корозійного струму (типу Kaesche) і внутрішнього тиску, який діє на циліндричну трубу, з урахуванням непружної енергетичної характеристики поверхневого шару.Для трубопроводу в нейтральному грунтовому середовищі проведені вимірювання поляризаційних потенціалів і корозійних струмів апаратурою ВПП (вимірником поляризаційного потенціалу) і БВС (безконтактним вимірником струму). Результати вимірюють відповідні дефекти типу каверн (піттингів), які утворилися на зовнішній поверхні підземного трубопроводу.Для п’яти варіантів внутрішнього тиску pi=5,5¸7,5 МPa приладами БВС та ВПП визначено струми та напруги для характерних поверхневих дефектів і на їх основі оцінено ефективний час досягнення тріщиною критичної глибини (ресурс труби), а також параметр надійності (характеристику безпеки) b.Зі співставлення результатів експериментальних досліджень і відповідних розрахунків установлено, що відносні зміни швидкості корозії Vcor у 2,8 рази і, відповідно, параметра ресурсу ПМТ tR в 3,1 рази більші, а параметра надійності b у 6,9 разів менші, ніж відносні зміни внутрішнього тиску pT.На основі аналізу параметра tR, який характеризує ресурс ПМТ, встановлено, що ця залежність tR від внутрішнього тиску pT нелінійна і прямує до насичення.Відзначена інформація є важливою для удосконалення методів контролю ПМТ нафтогазових підприємств, зокрема, методик коректного оцінювання густини анодного струму у дефектах металу на зовнішній поверхні підземного трубопроводу з урахуванням зміни внутрішнього гідростатичного тиск

Intelligent Analysis of Data Systems for Defects in Underground Gas Pipeline

method of functioning of intelligent software and hardware complex for monitoring system of an underground gas pipeline and cathodic protection devices using data and knowledge bases is proposed

Multiscattering-enhanced optical biosensor: multiplexed, non-invasive and continuous measurements of cellular processes

The continuous measurement of uptake or release of biomarkers provides invaluable information for understanding and monitoring the metabolism of cells. In this work, a multiscattering-enhanced optical biosensor for the multiplexed, non-invasive, and continuous detection of hydrogen peroxide (H2O2), lactate and glucose is presented. The sensing scheme is based on optical monitoring of the oxidation state of the metalloprotein cytochrome c (cyt c). The analyte of interest is enzymatically converted into H2O2 leading to an oxidation of the cyt c. Contact microspotting is used to prepare nanoliter-sized sensing spots containing either pure cyt c, a mixture of cyt c with glucose oxidase (GOx) to detect glucose, or a mixture of cyt c with lactate oxidase (LOx) to detect lactate. The sensing spots are embedded in a multiscattering porous medium that enhances the optical signal. We achieve limits of detection down to 240 nM and 110 nM for lactate and glucose, respectively. A microfluidic embodiment enables multiplexed and crosstalk-free experiments on living organisms. As an example, we study the uptake of exogenously supplied glucose by the green algae Chlamydomonas reinhardtii and simultaneously monitor the stress-related generation of H2O2. This multifunctional detection scheme provides a powerful tool to study biochemical processes at cellular level

Energy parameters of interfacial layers in composite systems: Graphene - (Si, Cu, Fe, Co, Au, Ag, Al, Ru, Hf, Pb) and semiconductor (Si, Ge) - (Fe, Co, Cu, Al, Au, Cr, W, Pb)

Koman, B. P., & Yuzevych, V. M. (2015). Energy parameters of interfacial layers in composite systems: Graphene - (Si, Cu, Fe, Co, Au, Ag, Al, Ru, Hf, Pb) and semiconductor (Si, Ge) - (Fe, Co, Cu, Al, Au, Cr, W, Pb). <i>Journal of Nano- and Electronic Physics</i>, <i>7</i>(4), 04059-1 - 04059-7