Новый гибридный полимер может стать основой самовосстанавливающихся материалов, искусственных мускулов и многого другого


схема самовосстанавливающегося материала

Сейчас мы буквально живем в окружении пластмасс самых различных типов. Но, несмотря на постоянное развитие новых технологий, все основные полимерные материалы уже на протяжении почти столетия остаются практически неизменными по составу и по их другим свойствам. А недавно, группа исследователей из Северо-Западного университета, возглавляемая Сэмюэлем Стаппом (Samuel Stupp), разработала совершенно новый тип гибридного полимера, который является достаточно необычной комбинацией твердых и мягких материалов. Этот прорыв в области наноинженерии открывает дорогу разработке множества новых технологий, начиная от самовосстанавливающихся материалов до искусственных мускулов.

Процесс формирования гибридного полимера заключается в одновременной "сборке" мономеров, длинных молекул двух различных полимерных материалов. При этом, процесс производится таким образом, что структура одной молекулы "строится" вокруг другой молекулы и наоборот. В результате, молекула одного полимера формируется за счет ковалентных химических связей, а вторая - за счет нековалентных связей. Ковалентные связи весьма сильны и за счет этого в центре формируется своего рода "ядро", поперечное сечение которого напоминает звезду с несколькими лучами. Нековалентные связи менее сильны и при их помощи формируется мягкий полимер, который заполняет промежутки между участками более прочного материала.

"Новый полимер имеет уникальную структуру с наноразмерными "отделениями", которые можно удалять и восстанавливать сколько угодно раз химическим путем" - рассказывает Сэмюэль Стапп, - "В некоторых отделениях содержится твердый полимер, другие заполняются мягким надмолекулярным материалом, который может быстро реагировать на изменения некоторых факторов окружающей среды. Эти реакции позволят производить на основе таких полимеров изделия, обладающие возможностями и функциями, которые свойственны живым организмам".

Надмолекулярная полимеризация действует как своего рода катализатор процесса ковалентной полимеризации, что позволяет получить материал с достаточно высоким значением молекулярной массы. Кроме этого, одновременная полимеризация ковалентных и нековалентных связей позволяет молекулам разных типов сцепляться друг с другом, формируя цилиндрическую полимерную "нить", которая может иметь сколь угодно большую длину.

Необычные свойства нового полимера открывают возможности реализации целого ряда новых технологий. Этот материал может использоваться в качестве средства целевой доставки лекарственных препаратов, которое может хранить в своих отделениях набор из различных препаратов, высвобождая их только в заданных местах. Другие свойства нового полимера позволят создать на его основе новые самовосстанавливающиеся материалы, которые можно будет использовать в качестве защитных покрытий. А добавка к новому полимеру других материалов позволит превратить его в основу искусственных мускулов, сокращающихся под воздействием электричества, света, тепла и других видов энергии.

Источник

Плоские графеновые линзы позволят обойти ограничения дифракционного предела


схема графеновой линзы

При разработке новых фотонных чипов, содержащих нано-оптические компоненты, исследователи сталкиваются с тем, что обычные стеклянные линзы становится крайне тяжело миниатюризировать до столь малого уровня. В поисках подходящей замены оптическим линзам группа из Технологического университета Свинбурна, Автралия, разработала графеновые плоские микролинзы, толщина которых составляет одну миллионную долю метра, при помощи которых можно сфокусировать изображения объектов, размером с одноклеточный микроорганизм. А дальнейшая модернизация данной технологии позволит появиться в будущем смартфонам, компьютерам, наноспутникам, внутри которых для обработки и передачи информации будут использоваться лучи света.

Одним из ограничений, которые не позволяют миниатюризировать обычные линзы, является так называемый дифракционный предел, который является теоретическим пределом разрешающей способности линзы. Было произведено множество попыток преодоления этого ограничения при помощи таких методов, как интерферометрия, голография, лазерные и электронные технологии. И, хотя ученым удалось добиться некоторых успехов, все найденные ими решения были громоздкими, сложными и дорогостоящими.

Еще одним методом преодоления дифракционного предела является использования сверхтонких плоских линз, которые представляют собой концентрические круги, изготовленные на поверхности материала, которые работают как крошечные линзы Френели. Ученые уже успешно изготавливали такие линзы из золота и других металлов, но это все не очень хорошо подходит для условий массового производства.

Технология изготовления графеновых линз была разработана группой из Центра микрофотоники, возглавляемой Хайоруи Чженом (Xiaorui Zheng). Ученые распыляли раствор окиси графена над поверхностью основания, нанося на него один графеновый слой за другим. А для изготовления концентрических кругов из этого всего использовался луч лазера. В результате этого исследователям удалось изготовить сверхтонкие графеновые микролинзы, толщина которых в 300 раз меньше толщины листа бумаги, а вес исчисляется микрограммами.

Согласно имеющейся информации новые микролинзы гибки, а их оптические характеристики позволяют им фокусировать изображения объектов, размерами в 200 нанометров, захватывая диапазон видимого и частично инфракрасного света. Но самым главным является то, что такие микролинзы позволяют обойти дифракционный предел и получить фокусное расстояние, равное менее половины длины волны света.

Когда технология изготовления графеновых микролинз будет "доведена до ума", у этих нанооптических компонентов найдется масса областей применения вне области микроскопии. Такие линзы могут быть использованы для изготовления крошечных датчиков-эндоскопов, в качестве замены обычных линз в оптических системах наноспутников и для увеличения эффективности работы фотонных чипов, которые могут стать основой мощнейших суперкомпьютеров следующих поколений.

Источник

Исследовательский аппарат Juno окончательно нацелился на Юпитер


фото спутника над Юпитером

Исследовательский космический аппарат Juno, который недавно стал рекордсменом по дальности полета на солнечной энергии, произвел успешный маневр для окончательной и точной коррекции траектории полета, которая через пять месяцев приведет его к точке "рандеву" с Юпитером. Анализ новой траектории движения космического аппарата покажет необходимость еще одной заключительной коррекции, которая в этом случае будет проведенная 31 мая 2016 года.

Во время выполнения последнего маневра двигатель космического аппарата израсходовал 0.6 килограмма топлива, смеси гидразина и тетраоксида азота, в результате чего скорость его полета изменилась на 0.31 метр в секунду. В качестве основного двигателя космического аппарата используется двигатель LEROS 1b, изготовленный британской компанией AMPAC-ISP. А в отличие от других космических аппаратов, использующих энергию из радиоизотопных термоэлектрических генераторов, аппарат Juno использует только энергию, вырабатываемую его солнечными батареями, суммарной мощностью в 500 Ватт.

Напомним нашим читателям, что космический аппарат Juno, который был запущен в космос 5 августа 2011 года, предназначен для проведения исследований Юпитера, самой большой и массивной планеты Солнечной системы. Во время своей миссии аппарат совершит 33 оборота вокруг газового гиганта, периодически опускаясь на высоту 5 тысяч километров от верхних слоев бурной атмосферы планеты.


схема полета спутников

Во время нахождения в окрестностях Юпитера аппарат Juno при помощи всех своих инструментов будет стараться проникнуть сквозь плотную и бурную атмосферу газового гиганта. Он произведет измерения гравитационных и магнитных полей, которые позволят подтвердить или опровергнуть гипотезу о наличии у Юпитера твердого ядра. Кроме этого, все измерения и наблюдения позволят ученым-планетологам с достаточно высокой точностью определить строение планеты в целом, что даст им в руки подсказки относительно некоторых тайн формирования Солнечной системы.

Космический аппарат Juno станет первым аппаратом, который сделает подробные снимки полюсов Юпитера и вторым аппаратом, побывавшем на орбите вокруг этой планеты. Напомним нашим читателям, что первым аппаратом был аппарат Galileo, который пребывал на орбите Юпитера с 1995 по 2003 год. В феврале 2018 года после завершения миссии аппарат Juno покинет орбиту и закончит свое существование в верхних слоях атмосферы Юпитера, эта процедура будет проведена во избежание столкновения аппарата с одним из галилеевых спутников газового гиганта, на которых, предположительно может существовать или могут находиться следы существовавшей там некогда жизни.

Источник

Создан первый в своем роде оптический транзистор, состоящий из единственного атома


схема нанооптического транзистора

В свое время мы рассказывали нашим читателям о транзисторах, состоящих из единственных атомов, которые за счет их малых размеров могут обеспечить соблюдение закона Гордона Мура еще достаточно длительное время. А недавно группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) в Цюрихе разработала фотонный транзистор, первый в своем роде оптический переключатель, основу которого составляет единственный атом серебра.

Базой для этого достижения являлась работа, проведенная данной группой около шести месяцев назад, в ходе которой ученым удалось создать самый маленький в мире оптический модулятор, который используется для преобразования электрических сигналов в оптические. Этот модулятор имеет размеры порядка 10 микрон, что в 10 тысяч раз меньше, чем модуляторы, используемые в современной коммуникационной технике.

10 тысяч раз - это весьма и весьма существенное сокращение размера, но швейцарские ученые не остановились на достигнутом и пошли дальше, сократив размеры устройства до размеров единственного атома. Проблема, с которой им довелось столкнуться, заключается в том, что размеры атома и устройства в целом меньше, чем длина волны лазерного света (1.55 микрометра), который используется в коммуникационных технологиях.

Такие ограничения, связанные с длинами волн света, обходятся при помощи плазмоники, которая работает за счет передачи энергии фотонов свободным электронам, облака которых возникают на поверхности некоторых металлов. Эта энергия заставляет электроны колебаться с частотой, соответствующей частоте поглощенного фотона, однако, амплитуда колебаний всегда гораздо меньше длины волны света, что позволяет существенно сократить размеры фотонно-плазмонных устройств.

Устройство, разработанное швейцарскими учеными, состоит из двух площадок, изготовленных из серебра и платины. Эти площадки размещены сверху кремниевого оптического волновода, а друг от друга их разделает расстояние в несколько нанометров. На конце серебряной площадки изготовлен выступ, наличие которого еще больше уменьшает зазор между площадками.

Когда свет покидает пределы оптического волокна, он направляется в область промежутка между вышеупомянутыми площадками. Из-за малой толщины этого промежутка волны света не могут пройти сквозь него, зато это достаточно хорошо удается плазмонам, которые возникают на поверхности металлической площадки. А пройдя через промежуток и достигнув противоположной площадки, плазмоны снова превращаются в фотоны света.

Для того, чтобы обеспечить управление потоком проходящего через устройство света, ученые приложили к двум площадкам электрический потенциал, который вындил один из атомов серебра переместиться на самый край выступа. Этот атом устроил электрическое короткое замыкание между серебряной и платиновой площадками, что привело к изменениям оптических характеристик всей системы, которая перестала пропускать проходящий через нее свет. Когда напряжение между площадками было снято, атом серебра вернулся в исходное состояние и характеристики системы возвратились к изначальным. И этот процесс может быть повторен практически неограниченное количество раз.

Следует отметить, что данный одноатомный оптический транзистор является не самым быстрым оптическим транзистором, созданным людьми. Однако, это первое в своем роде такое устройство и нет никаких практических и теоретических ограничений, которые могут препятствовать ему стать намного быстрее. Кроме этого исследователи признают, что разработанное ими устройство еще абсолютно не готово к условиям массового производства и практического применения. Все это станет возможных через несколько лет, когда технологии 10-нм литографии прочно закрепятся в области производства и смогут обеспечить высококачественное производства столь малых элементов.

Источник

Ученые добились квантовой запутанности макроскопических объектов при комнатной температуре


лаборатория квантовой запутанности

В области квантовой физики получение квантовой запутанности частиц, более сложных, более больших и более тяжелых, нежели фотоны света, сопряжено со многими трудностями и это достигается в большинстве случаев при температурах, близких к температуре абсолютного нуля, в присутствии сильнейших магнитных полей. Однако, ученые из Чикагского университета и Национальной лаборатории Аргона успешно получили это сложное квантовое состояние при комнатной температуре. Кроме этого, квантовая запутанность была создана при помощи достаточно слабого магнитного поля между частями полупроводникового чипа, в составе которых насчитывалось большое количество атомов.

Когда две частицы, такие как фотоны, запутываются на квантовом уровне, они какое-то время продолжают взаимодействовать даже если их удалить друг от друга на большое расстояние. Если изменить квантовое состояние одной частицы, к примеру, поляризацию фотона, то состояние второй частицы моментально изменится соответствующим образом. Явление квантовой запутанности очень редко возникает естественным путем, слишком уж в экзотических условиях должны находиться запутываемые частицы. Возникновению запутанности мешает множество факторов, основным из которых является термодинамическая энтропия, а когда число вовлеченных в этот процесс частиц (атомов макрообъектов) увеличивается, получение запутанности становится практически недостижимым.

"Макроскопический мир, который мы видим вокруг себя, упорядочен только с первого взгляда. Но на самом деле, на уровне атомов в нем царит настоящий хаос" - рассказывает Пол Климов (Paul Klimov), ученый из Института молекулярных разработок (Institute for Molecular Engineering), - "Законы термодинамики, проявляющиеся на макроуровне, полностью препятствуют возникновению и наблюдениям квантовых явлений на этом уровне".

Понимая практическую ценность реализации квантовой запутанности на макроуровне, которая может стать основой новых электронных устройств, ученые нашли достаточно уникальный подход к этой проблеме. Используя инфракрасный лазер, они выровняли магнитные состояния (спины) многих тысяч электронов и ядер атомов и начали запутывать их, воздействуя на все это короткими импульсами электромагнитного излучения, форма и другие параметры которых практически повторяют форму импульсов, используемых в стандартной магнитно-резонансной томографии. В результате "бомбардировки" импульсами в области воздействия образовалось множество пар запутанных ядер атомов и электронов. Эти запутанные пары находились на поверхности полупроводникового чипа из карбида кремния, а занимаемая ими область имела размеры и объем, сопоставимые с размерами и объемом красной кровяной клетки, эритроцита.

"Нам известно, что спин-состояния ядер атомов, связанных с дефектами решетки полупроводникового материала, обладают превосходными квантовыми свойствами, проявляющимися даже при комнатной температуре" - рассказывает профессор Дэвид Ошалом (David Awschalom), - "Такие квантовые частицы являются стабильными, долгоживущими и ими достаточно просто управлять, используя методы фотоники и электроники. Используя эти частицы вполне можно получить состояние квантовой запутанности, и мы доказали это теоретическое утверждение на практике".

В принципе, методы, использованные учеными для получения запутанности областей кремний-карбидного полупроводника, можно использовать и по отношению к другим полупроводниковым материалам. А на основе этих материалов в недалеком будущем можно будет создать новые типы датчиков, в которых для увеличения их чувствительности и разрешающей способности будет использоваться запутанность. И, поскольку такая запутанность работает при нормальной температуре окружающей среды, а карбид кремния является биологически инертным материалом, то новые квантовые датчики могут быть помещены прямо внутрь живых организмов для контроля состояния их здоровья.

Ну а самыми очевидными областями применения высокотемпературной квантовый запутанности станут области коммуникаций, обработки информации и ряд других более экзотических технологий.

Источник

Сверхкороткие импульсы света позволили измерить пределы подвижности электронов


оптоэлектронная схема

Находясь в пределах своего атома, электроны обладают весьма высокой подвижностью. Однако она, эта подвижность, ограничена некими пределами, которые, в свою очередь, служат ограничением быстродействия оптоэлектронных устройств. И недавно, группа ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Германия, Московского государственного университета имени Ломоносова, Россия, и Техасского университета A&M, США, произвела первые прямые измерения естественной подвижности электронов. Это было сделано при помощи чрезвычайно коротких импульсов света, а измеренное время реакции на них электронов атомов криптона составило порядка 100 аттосекунд.

Данное открытие было сделано благодаря разработке и изготовлению нового научного инструмента, способного вырабатывать мощные и короткие импульсы света. Этот инструмент называется синтезатором светового поля (light-field synthesizer), и он в состоянии производить импульсы света, длительность которых равна половине длительности периода колебаний волны света. "Многие считали, что невозможно произвести волны света, длительность которых меньше одной полной длины волны" - рассказывает Элефтэрайос Гулилмакис (Eleftherios Goulielmakis), ученый, возглавлявший группу из Института Макса Планка.

Новый инструмент работает, используя на входе импульсы света с широким частотным светом. Этот импульс разделяется на четыре импульса, каждый из которых находится в определенном диапазоне частот. После этого производится процесс "сжатия" импульсов при помощи системы колеблющихся зеркал, что позволяет создать четыре сверхкоротких импульса. И, в конце концов, четыре импульса объединяются в один, при этом производится выравнивание длин волн света, а длительность конечного импульса равна половине периода колебания воны света и составляет около 380 аттосекунд (аттосекунда - одна миллионная от одной миллионной от одной миллионной доли секунды).

В этом сверхкоротком импульсе заключено около 50 процентов энергии изначального импульса, и его импульсная мощность составляет 50 гигаватт. Несмотря на столь огромное значение, энергии этого короткого импульса недостаточно для того, чтобы человек что-то почувствовал, попади импульс на поверхность самого чувствительного участка кожи. Однако, этой энергии достаточно для того, чтобы "пнуть" электрон, вращающийся вокруг ядра атома.

Ранее ученые пытались измерить подвижность электронов при помощи импульсов рентгеновского излучения, длина волны которых короче, нежели длительность полученного учеными импульса света. Однако, высокой энергии рентгеновских импульсов хватало для того, чтобы выбить электрон за пределы атома, лишая ученых возможности изучать поведение электронов в пределах атомов. Когда на электрон воздействуют полученные сверхкороткие импульсы света, он отдаляется от ядра атома на значительное расстояние, но остается по-прежнему связанным с ним. "Каждый раз, получив "пинок" импульсом света, электрон начинал колебаться как на пружине, испуская фотоны ультрафиолетового излучения, которые были пойманы и параметры которых были измерены" - рассказывает Элефтэрайос Гулилмакис.

"Бомбардируя" атомы криптона серией аттосекундных импульсов света, ученые смогли произвести запись изменяющихся образцов ультрафиолетового света, произведенного электронами атомов. Параллельно с этим ученые создали математические модели взаимодействия импульсов света с электронами и при их помощи получили результаты, практически полностью совпадающие с экспериментальными данными.

Однако, данные, полученные при помощи математической модели, имели одну особенность. Они указывают на то, что между моментом "точка" электрона импульсом света и его реакцией на это присутствует задержка в 100 аттосекунд. "Этим электрон как бы сообщает нам: "Вы пытаетесь заставить меня двигаться быстрее, но я могу двигаться лишь с такой скоростью, с которой мне позволяют это делать некоторые квантовые характеристики" - рассказывает Гулилмакис, - "Этот эффект давно описан в учебниках по нелинейной оптике, но до последнего времени он считался настолько быстрым, что его невозможно измерить. Но это было верным, когда в распоряжении ученых были только фемтосекундные лазеры, теперь же в нашем распоряжении появились аттосекундные импульсы света и при их помощи мы можем измерить целый ряд величин, которые до этого оставались неизвестными".

Источник