Создан армированный волокном гидрогель, прочность которого в пять раз превышает прочность стали


Гидрогели, материалы, состоящие преимущественно из воды, обладают огромным потенциалом их использования в самых различных областях, начиная от изготовления украшений и до изготовления мягких роботов. Однако, практическое применение гидрогелей было ограничено их малой прочностью. Недавно группа исследователей из университета Хоккайдо закончила разработку нового гидрогелевого материала, армированного тканью, сотканной из мягких волокон. И в результате этого показатель прочности нового материала в пять раз превышает показатель прочности углеродистой стали.

Композитные материалы известны людям уже почти тысячелетие, ведь принципы их изготовления достаточно просты. Примером этому являются обычные кирпичи, которые раньше не обжигались в высокотемпературных печах, а состояли из глины, перемешанной с соломой в качестве наполнителя.

Вернемся к гидрогелям. Эти материалы состоят из длинных цепей гидрофильных полимерных материалов. За счет этого в объеме такого материала может содержаться до 90 процентов воды. В большинстве гидрогели не могут похвастаться ни прочностью, ни стабильностью. Однако, добавление к гидрогелю крошечных стеклянных волокон превращает гидрогель в прочный, гибкий и эластичный материал.


Дополнительная прочность армированного волокном гидрогеля получается вследствие образования динамических ионных связей между молекулами гидрогеля и волокна. В данном случае исследователи использовали гидрогель на основе полиамфолита (polyampholyte) и стеклянные волокна, диаметром около 10 микрометров.

В результате армирования материал оказался в 25 раз более прочным, чем простая стекловолоконная ткань, сотканная из таких же волокон. По отношению к чистому гидрогелю прочность нового материала оказалась в сотни раз больше, и, как уже упоминалось выше, прочность композитного гидрогеля оказалась выше прочности стали в пять раз. Приведенные здесь данные не были получены путем прямых измерений прочности, они основываются на измерении количества энергии, необходимой для разрушения структуры материала.

"Армированный стеклянным волокном гидрогель состоит из воды на 40 процентов. Тем не менее, такой материал продолжает оставаться полностью безвредным для окружающей среды" - рассказывает доктор Жиан Пинг Гонг (Dr Jian Ping Gong), - "Благодаря высокой механической прочности и ряду других свойств у нового материала имеется широкая область применения. Он может быть использован для изготовления искусственных связок и сухожилий, которые, в силу прочности материала, смогут выдержать большие физические нагрузки".

Источник

Создана "умная" однопиксельная камера, подражающая человеческому глазу


Исследователи из университета Глазго (Шотландия, Великобритания) разработали конструкцию уникальной камеры, матрица которой содержит всего один светочувствительный элемент, пиксель. Но за счет использования принципов, реализованных природой в строении глаз человека, эта камера способна к производству достаточно высококачественных снимков. Вместо того, чтобы снимать всю область с равномерной разрешающей способностью, эта камера фокусируется на самых важных деталях, а все остальное и фон снимаются с минимально допустимым разрешением.

Эксперименты со сканирующими камерами, имеющими всего один пиксель, проводились не из-за низкой стоимости таких камеры. Их основным преимуществом является то, что при использовании чувствительного элемента соответствующего типа они способны снимать в тех частях электромагнитного спектра, которые недоступны камерам с много-мегапиксельными датчиками, к примеру, в терагерцовом и длинноволновом инфракрасном спектре. И теперь, после разработки алгоритмов, позволяющих однопиксельным камерам фокусироваться только на определенных деталях, такие камеры станут весьма полезным инструментом для ученых, ведущих исследования в самых различных областях.

Во время экспериментов ученые сделали при помощи однопиксельной камеры снимок, размерами всего 1000 на 1000 пикселей, что по нынешним меркам можно считать очень низкой разрешающей способностью. Однако, те важные участки, на которых было сфокусировано "внимание" камеры, были сняты с таким уровнем детализации, который соответствует качеству съемки камерой с датчиком в несколько мегапикселей.

И а заключение следует отметить, что основой данного изобретения была работа профессора Майлза Пэдджетта (Miles Padgett), группа которого сосредоточила свои усилия на производстве трехмерных снимков и на проникновении сквозь непрозрачные в оптическом диапазоне материалы. А сейчас исследователи занимаются доработкой разработанной ими технологии, после чего они начнут изыскивать возможности ее практического применения в науке и промышленности.

Источник

Ученые получили первые высококачественные снимки копий, гарпунов, пулеметов Гатлинга и других видов вооружения крошечных живых существ.


Большинство людей считает, что планктон представляет собой массу микроскопических существ, которые мирно живут и размножаются в верхних слоях морской воды, вырабатывают кислород и обеспечивают пищей многих других морских животных, к примеру, китов. Такое мнение очень далеко от действительности, на самом деле микроорганизмы планктона являются крошечными "дикарями", постоянно ведущими войну с другими микроорганизмами, используя при этом достаточно богатый арсенал крошечного баллистического оружия.

Исследователи из университета Британской Колумбии проведи исследования арсенала микроорганизмов и получили первые снимки с высокой разрешающей способностью крошечных копий, гарпунов, ударников и даже многоствольных "пулеметов Гатлинга", которые имеют на удивление сложное строение. В данных исследованиях ученые так же пытались выяснить пути эволюционного процесса, приведшие к появлению вооружения у микроорганизмов, и провести параллели с эволюционными путями, в результате которых нечто подобное появилось и у других видов живых организмов.


В своей работе ученые использовали сканирующий электронный микроскоп и сфокусированные лучи ионов, что позволило им воссоздать чрезвычайно точные трехмерные реконструкции строения специфичных органов "милитаризированных" микроорганизмов. В качестве подопытного микроорганизма выступал одноклеточный организм вида Polykrikos kofoidii, который для охоты за другими микроорганизмами использует своего рода копье и подобие гарпуна.

Организм P. Kofoidii использует один-два удара крошечным копьем, структурой, подобной игле, для того, чтобы остановить и парализовать жертву, впрыснув ей некоторое количество яда. Затем организм P. Kofoidii производит финальный выстрел органоидом под названием nematocyst, который похож на гарпун. И после этого при помощи "привязи гарпуна" добыча подтягивается к организму P. Kofoidii.

У другого микроорганизма вида Nematodinium для "войны" с другими организмами имеется структура, напоминающая по строению и функционированию пулемет Гатлинга с 15-тью стволами.


Для отслеживания эволюционных путей, в результате которых у микроорганизмов появилось собственное баллистическое оружие, ученые произвели тщательный генетический анализ образцов тканей микроорганизмов. Этот анализ показал полное отсутствие общих черт этих организмов и их очень дальних родственников, некоторые из которых используют подобные системы микроскопического вооружения. К этим видам относятся некоторые медузы, морские актинии и другие хищные морские организмы. Однако, самый тщательный анализ не выявил никакого сходства, что говорит о том, что микроорганизмы планктона обрели свое оружие полностью независимо от организмов других видов.

"В мире бытует неправильное представление, согласно которому фитопланктон состоит из пассивных и мирных одноклеточных морских водорослей" - пишут исследователи, - "На самом деле большинство микроорганизмов планктона являются ярыми хищниками, а эволюция снабдила их специальными органоидами, представляющими собой различные типы баллистического оружия, сложность которых во много раз превышает сложность органов даже самых высокоразвитых животных".


Источник

Ученые изучили механизм защиты молекул от разрушающего воздействия радиации


Ученым уже известно достаточно давно, что некоторые молекулы обладают встроенным механизмом, позволяющим защитить целостность их структуры от пагубного воздействия радиации. К примеру, когда молекула ДНК поражается ультрафиолетовым светом, она может рассеять излишки полученной энергии, "изгнав" из себя ядро атома водорода, протон. Это, в свою очередь, позволяет держать в целостности и сохранности химические связи между всеми другими атомами молекулы.

Для того, чтобы вскрыть все тонкости данного процесса, исследователи использовали сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения, вырабатываемые источником Linac Coherent Light Source (LCLS) Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC. Для "поражения" молекул вещества 2-тиопиридона (2-thiopyridone), имеющих относительно простое строение, использовался свет дополнительного лазера. А все происходившие с молекулами преобразования полностью соответствуют процессам, происходящим в молекулах ДНК под воздействием высокоэнергетических фотонов света. Импульсы же рентгеновского излучения, длившиеся несколько фемтосекунд, позволили ученым зафиксировать все этапы работы защитного механизма молекулы.

Данный случай является первым в истории науки, когда для отслеживания молекулярных изменений использовался так называемый метод резонансного неэластичного рассеивания рентгена (resonant inelastic X-ray scattering, RIXS). Этот метод позволил ученым увидеть протоны, которые с очень высокой скоростью выбрасываются из молекулы, подобно мячу после удара по нему ногой футболиста.

Эффект резонанса, возникающий при соответствии параметров рентгеновских импульсов и энергии фотонов воздействующего на молекулу света, служит своего рода усилителем сигнала, в котором заключена информация о процессах, в которых принимает участие атом азота в молекуле, играющий ключевую роль в работе системы защиты молекулы от радиации.

Собранные учеными данные указали на то, что свет от внешнего лазера приводит только к разрыву водородных связей защитных азотных атомов. Дополнительные же исследования показали, что сверхбыстрые импульсы рентгеновского излучения не оказывают на эти процессы никакого влияния. Все это послужило доказательством работоспособности нового исследовательского метода, который в ближайшем времени будет использован учеными для изучения более сложных молекул и для получения сведений о фотохимических реакциях различного типа.

Источник

Новая фемтосекундная камера позволяет снимать биопроцессы, происходящие внутри живых клеток


Исследователи из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) создали новую установку, которая представляет собой фемтосекундную камеру, позволяющую с огромной скоростью снимать все происходящее внутри живых клеток. Эта камера работает за счет анализа искажений прошедшего сквозь исследуемый образец света импульсов фемтосекундного лазера, а на полученных снимках можно увидеть все мельчайшие подробности без необходимости использования специальных контрастных веществ-агентов.

Процессы жизнедеятельности живых клеток представляют собой сложные последовательности биохимических реакций и физических процессов, некоторые из которых проходят с достаточно высокой скоростью. Для изучения таких процессов обычно используются электронные микроскопы, но для этого требуется использование специальных красящих веществ, делающих снимки более контрастными. Помимо улучшения качества снимков, использование веществ-агентов может оказывать отрицательное влияние на метаболизм изучаемых клеток. Новые цифровые голографические микроскопы лишены упомянутого выше недостатка, но они обеспечивают получение снимков с низкой разрешающей способностью.

Новая камера, созданная учеными из ИТМО, позволяет регистрировать даже самые быстрые биохимические процессы, регулируя свою разрешающую способность. Единственным ее ограничением является то, что исследуемые образцы должны быть прозрачными. Устройство синтезирует изображения на основе данных анализа искажений импульса света фемтосекундного лазера, которые возникают при его похождении сквозь объект, а основным источником данных является смещение фазы света.

Исходный импульс лазерного света перед использованием расщепляется на три луча. В первом луче заключено 95 процентов от общего количества энергии импульса и этот луч используется для диагностических и калибровочных целей. Второй луч проходит через исследуемый образец, а третий направляется мимо образца при помощи системы зеркал. Второй луч, прошедший сквозь образец, и третий, выступающий в роли опорного, складываются, и в месте их наложения возникает голографическая картина, состоящая из череды максимумов и минимумов световых волн.

Изменяя положение зеркал, можно заставить опорный луч приходить к "месту встречи" с определенной задержкой. Другими словами, при помощи опорного луча производится сканирование луча, прошедшего через исследуемый образец. Каждый шаг такого сканирования порождает очередной голографический образ и череда этих образов превращается в изображение при помощи быстрого компьютерного алгоритма.

Ученые из ИТМО собираются продолжить работу по совершенствованию созданной ими камеры. Но и в том виде, в котором она существует на сегодняшний день, она уже представляет собой весьма мощный научный инструмент. Помимо того, что новая камера обгоняет все имеющиеся подобные инструменты по скорости работы и по разрешающей способности, ее конструкция гораздо более проста, нежели конструкция любого из мощных современных микроскопов.

Источник