You are viewing shkrobius

Quizzing the Anonymous - On ignorance
January 27th, 2013
04:54 am

[Link]

Previous Entry Share Next Entry
On ignorance
If you are a scientist, you confront ignorance as soon as you open your eyes.

For example -- I am typing this post on a laptop computer that is powered by a lithium battery. No one has the slightest idea how and why it works.

Metallic lithium can intercalate between the graphene sheets in graphite in the anode. This anode is in contact with the electrolyte containing lithium salt. It needs to be an unreactive solvent that remains liquid over a wide temperature range, which narrows the choice tremendously. Initially, propylene carbonate was the electrolyte; that was a serious problem. The electrolyte diffused between the graphene sheets and weakened the anode. Li batteries were inefficient and dangerous.

In the early 1990s, it was discovered that, counterintuitively, using ethylene carbonate, which is a smaller molecule, solves this problem; only then Li batteries became commercialized. Electrochemical reduction of the solvent produces dense material that passes lithium cations through, but blocks solvent molecules. No such material is formed for propylene carbonate. Li battery can be cycled many times due to this solid electrolyte interface formation; without it, the battery cannot work.

That was 20 years ago. Still no one knows what chemical process yields this material, what is this material, and why a small structural change in the electrolyte makes such a colossal difference in the performance. There have been many theories, but even the first steps towards the formation of this material remain unknown. Higher voltage operation requires different electrolyte, while it is not known how the present one is working. Millions of dollars have been invested into solving of this problem. So far it provided nearly zero insight.

It is not billions of light years away. It is not in the distant past. It is not a speculative field requiring the highest degree of abstraction. It is not petascale computing providing pornographic thrills of universal catastrophe.

In the imagination of the masses, the unknown begins far away in the abode of the exotica and speculation. This impression is nurtured. Bookstores carry hundreds of popular science books on string theory, cosmology, climate change, evolution, and the wonderful human brain. Other topics are banished to a minute fraction of such books. “Science literacy” tests quiz the initiated on their command of abstract dogmas acquired through no exercise of one’s ability to generate knowledge. G-d forbid to quiz them on how a vacuum cleaner works.

My laptop is the microcosm reflecting the macrocosm. Nearly everything about the operation of “smart” semiconductor chips, LCD screens, and other computer components is, in fact, well understood. By contrast, the “dumb” battery remains an enigma.

Only a scientist would know that.


Tags:

(22 comments | Leave a comment)

Comments
 
[User Picture]
From:flying_bear
Date:January 27th, 2013 12:02 pm (UTC)
(Link)
Совершенно поразительней для меня пример (мы его как-то обсуждали) - мы до сих пор не понимаем такое абсолютно всеобщее и повседневное явление как плавление, не можем объяснить даже качественно эмпирические критерии (Линдеманна и Варшни).

Вообще, меня всегда поражает невероятная сложность поведения простейших систем, чистых элементов в простых кристаллических структурах, или бинарных сплавов. Таких практически важных и изученных в хвост и в гриву как плутоний-галлий. Не говоря про железо-углерод, основной материал нашей цивилизации чуть не три тысячи лет уже..
[User Picture]
From:shkrobius
Date:January 27th, 2013 06:21 pm (UTC)
(Link)
When your interactions are on the order of kT, it is nearly impossible to get them out right. Every other issue of J. Chem. Phys. has an article or two reporting a new "improved" water potential, or yet another take on the structure of liquid water. After the XAS of oxygens in water, it has been a long debate as to how many hydrogen bonds a water molecule actually has in liquid water. Understanding of ice melting appears to be a concern to be addressed decades from now, and water is one of the better understood liquids...
[User Picture]
From:flying_bear
Date:January 27th, 2013 09:19 pm (UTC)
(Link)
Да, но универсальность того же критерия Линдеманна говорит, что детали молекулярной структуры тут не важны...
[User Picture]
From:Bradley K. Sherman
Date:January 27th, 2013 02:40 pm (UTC)
(Link)
The NTSB investigation of the battery fires on the Boeing 787 will not conclude for many months, if ever. At the end of the day the demands of Capital will force a redesign, or there will be a coverup. I doubt very much that a scientist will come running out of the testing laboratory yelling "Eureka!"

--bks
[User Picture]
From:brainsucker
Date:January 27th, 2013 04:10 pm (UTC)
(Link)
Ouch, I completely missed these news regarding 787 :o
It's really interesting to know if blog author doesn't mention 787 on purpose, or this post is just complete coincidence :)
[User Picture]
From:shkrobius
Date:January 27th, 2013 06:30 pm (UTC)
(Link)
I've heard about it, but such battery accidents are frequent. It's the price you pay for ignorance. People want to improve performance stepping away from what has been learned by trial and error alone. The main problem, actually, is that Li-air battery cannot run on these empirical principles, because the electrolyte has to form this mystery layer, but also be resistant to superoxide deprotonation and reduction and autooxidation. No one has the slightest idea wether such a liquid exists at all. The search for it adheres strictly to the same protocol that has been used in the searches of the Philosopher's Stone. It is all pure alchemistry.
[User Picture]
From:eta_ta
Date:January 27th, 2013 03:43 pm (UTC)
(Link)
да! я вам больше скажу. и правильно (сама такая)
[User Picture]
From:dennett
Date:January 27th, 2013 04:11 pm (UTC)
(Link)
красиво
спасибо
меня все же волнует мозг и сознание
еще ближе ко мне, чем батарейка, но обьяснить никак не получается
[User Picture]
From:shkrobius
Date:January 27th, 2013 06:54 pm (UTC)
(Link)
Не верится, что что-то путное о сознании может быть произнесено существами, не ведающими о том, как работают батарейки. Что-то в этом есть глубоко порочное.

А надо бы все же эту проблему решить, ведь позорище-то какое. Придется самому ею заняться.
[User Picture]
From:pashkin_elfe
Date:January 27th, 2013 09:22 pm (UTC)
(Link)
Есть в этом утверждении что-то рекурсивное
[User Picture]
From:dennett
Date:January 28th, 2013 11:31 pm (UTC)
(Link)
раздумывал над этой вашей записью и понял, что мир для нас - слоистый.
это слои знания - что под капотом, что за облаками, что под черепом и так далее. под одними слоями - другие слои. в какой-то момент под очередным слоем знания начинается слой незнания.

в связи с этим возникает интересный философский вопрос - насколько глубоко джентльмен-неспециалист должен проникать в эти слои. имеет ли смысл (помимо чисто практического - т.е. если это зачем-то необходимо) проникать за самый фасад - знать, как работает компьютер, как происходит фотосинтез, как действует market-maker на нью-йоркской фондовой бирже.
[User Picture]
From:shkrobius
Date:January 29th, 2013 06:12 am (UTC)
(Link)
Мне мир представляется не слоистым, а лучистым, что ли...

Если посмотреть на картинки распределения вещества во Вселенной, то выглядит это так: огромные пузыри темноты и между ними тонюсенькие паутинки, где находятся галактики и звезды; где свет. Мне эта картинка напоминает знание: едва различимые лучики понимания, как дорожки через трясину, и колоссальные провалы темноты вокруг, где вообще ничего не понятно. Их не замечают, вероятно, лишь потому, что смотрят туда, откуда идет свет. Если джентльмен это понимает, то он никогда не будет невеждой, что бы конкретно он не знал (все знать все равно невозможно); и наоборот: если это самое основное непонятно, неважно, чем забита голова.

Ньютон, сдается, именно это хотел сказать, уподобляя себя ребенку, играющему с камешками на берегу моря. В таких играх нет ничего зазорного, пока затылком чувствуешь море; но горе, когда не видят ничего, кроме камушков, а море воображается, как влага, заполняющая зазоры между ними. Если чувства моря нет, нет и настоящего желания разобраться в чем-либо по-настоящему. Зная, как хитро устроены простейшие вещи, трудно поверить в понимание гораздо более сложных, достигаемое методами, которые неизмеримо топорнее тех, которые потребовало понимание самого простого.
[User Picture]
From:dennett
Date:February 2nd, 2013 12:27 am (UTC)
(Link)
тут хорошо бы понять, зачем разбираться
обсудить задачи знания

дело в том, что идея о том, что _знать хорошо_ и _знать надо_ - тривиальна, обычна - с детства

но так получается в жизни, что очень часто приходится принимать сознательное решение не знать. и вот к этому решению мы не готовы.
[User Picture]
From:shkrobius
Date:February 3rd, 2013 10:49 pm (UTC)
(Link)
Пожалуй, не могу вообразить, что я сознательно не хотел бы знать. Могу без труда вообразить, что мне неинтересно было бы знать (скучно) или противно (скажем, подробности интимной жизни соседей), но Вы ведь не об этом. Мои возможности физически и умственно ограничены, но они не ограничены потребностью знать. Я не заставляю себя, скажем, сознательно не читать книги про мозг. Я их немало прочел, но они легли между "скучно" и "подробностями". Интересно знать, как оно "на самом деле", а не изучать постоянно изменяющиеся догадки и спекуляции, как оно могло бы быть, основанные на интеллектуальной моде, а не более прочной основе. Нет чувства, что приобретаешь знание. Это странная область, ни гуманитарная, ни научная, вообще никакая. Вероятно, подразумевался стык. Если так, то пока ничего из этой затеи, на мой взгляд, не вышло.

По той же причине я избегаю писать на подобные темы.
[User Picture]
From:dennett
Date:February 4th, 2013 03:30 am (UTC)
(Link)
я не совсем понял, какое отношение к моему вопросу имеют книги про мозг

поясню свой вопрос еще раз. вот я сажусь в машину - под капотом ее двигатель внутреннего сгорания - заглядывать мне туда, физически и умственно - или не заглядывать? решил - загляну. но у каждой детали есть свой "капот". Переработка нефти, цикл карно, производство резиновых шлангов и хомутов к ним - изучил все это - возникают новые вопросы - свойства резин, волновая функция, законы штата техас о регистрации транспортных средств - и так далее. где-то надо остановить любопытство, заглядывание под. я останавливаю любопытство на слое N. Сразу возникает вопрос - почему не на слое N-1 - откуда, по индукции - почему не на слое 1.

Мне лично часто приходится насильственно удерживать себя от заглядывания под капоты. Особенно если учесть, что я переводчик - приходится переводить специалистов по международной космической станции, ее различным системам (вот к примеру система хранения грузов - неисчерпаема, как электрон :), или двигательные установки, или пища и как опросник по пище заполнили члены 18 экспедиции в таком-то году, и так далее)

И так везде, где нет особых интересов. К примеру, вот особый интерес, страсть к маркам - у меня есть приятель, которые собирает марки с раковинами - причем у него есть марки, на которых изображены картины, на которых изображены раковины - и есть марки, где есть зеркала, где отражаются раковины - а также марки (немного, правда), где изображены книги, в которых упоминаются раковины. В этом случае, я согласен, надо идти до конца, leave no stones unturned.






[User Picture]
From:shkrobius
Date:February 4th, 2013 05:59 am (UTC)
(Link)
Допустим, я отвечу: граница проводится так-то. Неужели Вы будете следовать моим мнениями в том, что Вам надлежит знать?

Единственное, что отличает меня от Вашего приятеля, это то, что к моим "особенным интересам" относится весь мир, а не только хрупкой раковины стены. Влезть к мирозданию под капот можно каким угодно образом, хоть изучая раковины. Мне кажется неважным, под какой капот залезть, если не останавливаться, а идти до конца.
From:dmpogo
Date:January 27th, 2013 04:24 pm (UTC)
(Link)
I know nothing about the subject - but are they really "the graphene sheets", or is it just a fashionable word nowadays ?
I wonder what was a big deal with developing methods to create graphene sheets recently, if they were present in Li batteries
[User Picture]
From:vsviridov
Date:January 27th, 2013 05:43 pm (UTC)
(Link)
I guess one might call an outer sheet of graphite of 1 atom thickness "a graphene sheet" :)
From:dmpogo
Date:January 27th, 2013 05:58 pm (UTC)
(Link)
Yes ! But would such name make it behave as a 2D system ? :)
[User Picture]
From:vsviridov
Date:January 27th, 2013 06:05 pm (UTC)
(Link)
I guess as Li ions permeate one layer at a time, and do not move laterally, why not? Maybe there's a Maxwell's demon of sorts that prevents lateral movement :D
[User Picture]
From:shkrobius
Date:January 27th, 2013 06:42 pm (UTC)
(Link)
They were called so long before they have been exfoliated. In graphite, graphene sheets are stacked, and Li atoms intercalate in between the sheets, further weakening cohesion between the sheets. It is fully appropriate term in this context, because the electrolyte makes "funnels" by pushing individual sheets apart (they are edge on at the surface, you imagine it incorrectly). The interaction energy between the sheets is weak (about 30 meV per C, as far as I recall); when a molecule sqeezes in between them at the site of pre-existing defect, two sheets begin to pull apart, and the material gradually falls apart, riddled with such "funnels."

The big deal was to isolate large-area, high-quality graphene sheets & study their properties. Graphene sheets are present in your pencil, too, but not in the form that presents interest for physics.
From:dmpogo
Date:January 27th, 2013 06:53 pm (UTC)
(Link)
Thanks,

I knew that at least theoretical studies of graphene are decades old (and I guess all the fuss clouded my memory that graphene may refer to just a layer in grahite, not necessarily isolated),
but did not know in which systems it was actually peeling off and whether it exhibits there 2D properties.
My Website Powered by LiveJournal.com