Znajdź zawartość

W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) powstał kwantowy detektor, który wykrywa słabe pole elektryczne z czułością ponad 10-krotnie większą niż dotychczas stosowane czujniki. Urządzenie przyda się zarówno w obrazowaniu struktur biologicznych, jak i w fizyce, gdzie może posłużyć m.in. do wykrywania ciemnej materii. Czujnik zbudowano ze 150 jonów berylu uwięzionych w magnetycznej pułapce. Jony spontanicznie ułożyły się w dwuwymiarowy kryształ o średnicy 200 mikrometrów. Niezwykłą czułość struktury uzyskano poprzez kwantowe splątanie ruchu jonów i ich spinów. Pomiary zewnętrznego pola elektrycznego dokonywane są poprzez mierzenia wzbudzenia kryształu, który pod jego wpływem zaczyna drgać przesuwając się w górę i w dół na podobieństwo membrany bębna. Badając zmiany spinu naukowcy są w stanie określić stopień wzbudzenia kryształu. Dzięki temu możliwy jest pomiar pól elektrycznych z ponad 10-krotnie większą dokładnością niż najczulszy z dotychczasowych sensorów. Znaleźliśmy sposób na stworzenie kwantowych stanów splątanych, które są niezwykle czułe na niewielkie przemieszczenia jonów wywoływane słabym polem elektrycznym. To elegancka demonstracja tego, w jaki sposób można wykorzystać efekty kwantowe do uzyskania przewagi nad klasycznymi systemami, wyjaśnia Kevin Gilmore z NIST. Pomiary rozpoczynają się od wykorzystania mikrofal do nadania spinom wszystkich jonów tej samej wartości. Później za pomocą laserów splątano spiny z ruchem jonów. Następnie całość jest wzbudzana za pomocą oscylującego pola elektrycznego. Gdy kryształ drga, te same mikrofale i lasery są wykorzystywane do usunięcia splątania, a informacje o ruchu jonów trafiają do ich spinów. Spiny łatwo jest mierzyć i to właśnie z nich odczytywane są dane o przemieszczeniu się jonów. Splątanie jonów pozwala na usunięcie z nich naturalnego kwantowego szumu. Natomiast później splątanie jest usuwane, gdyż pomiar stanu splątanego bez zniszczenia informacji dzielonych pomiędzy spinem a ruchem jonów jest bardzo trudny. Takie rozwiązanie pozwala na bardzo precyzyjne określenie, na ile pole elektryczne wpłynęło na jony. Gilmore zapewnia, że dzięki takiej architekturze, kryształ może być na tyle czuły, by wykryć obecność aksjonów, hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię, o których sądzi się, że generują niewielkie oscylujące pola elektryczne. Teraz, gdy naukowcy wykazali, że ich architektura działa, rozpoczęli prace nad zbudowaniem większego czujnika. Ich celem jest stworzenie trójwymiarowego kryształu złożonego z około 100 000 jonów. W ten sposób czułość urządzenia powinno zwiększyć się jeszcze 30-krotnie. Jednocześnie staramy się usunąć dominujące źródło szumu, którym są fluktuacje częstotliwości kryształu. Niewykluczone, że w trójwymiarowym krysztale jony będą lepiej schłodzone, co powinno zmniejszyć te fluktuacje, dodaje Gilmore. Jeśli uda się zbudować taki trójwymiarowy kryształ i usunąć z niego dominujące źródło szumu to urządzenie może zostać wykorzystane do wykrywania ciemnej materii. Wiemy, że 85% materii we wszechświecie to ciemna materia. Nie wiemy jednak, z czego jest ona zbudowana. Nasz czujnik może w przyszłości pozwolić na odkrycie tej tajemnicy, stwierdziła teoretyk Ana Maria Rey z Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), jednego z wiodących amerykańskich instytucji badawczych w dziedzinie fizyki. Wyniki badań szczegółowo opisano na łamach Science. « powrót do artykułu

Pod wpływem pola elektrycznego w bardzo krótkim czasie zwiększa swoją lepkość i tworzy… ciało stałe. To główna właściwość cieczy elektroreologicznej. Przez lata znalazła szereg zastosowań, ale brakowało dobrego teoretycznego wyjaśnienia tego, jak powstaje. Aż do teraz. Wszystko zmieniło się za sprawą grupy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Nasi naukowcy: doktorant mgr inż. Michał Łepek, dr hab. inż. Agata Fronczak, prof. uczelni i dr hab. inż. Piotr Fronczak, prof. uczelni efekty swoich badań opisali w pracy Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains, opublikowanej w czasopiśmie Physica D: Nonlinear Phenomena. Jak zlepiają się cząstki? Prowadzone przez badaczy z PW prace zaowocowały rozwiązaniem teoretycznym procesu koagulacji („zlepiania się” cząstek), w którym następuje tworzenie tzw. łańcuchów liniowych, czyli grup cząstek ułożonych w łańcuchy. Najbardziej znanym przykładem takiego procesu jest koagulacja cieczy elektroreologicznej. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości zalicza się ją do tzw. materiałów inteligentnych (smart materials). Przy obecności pola elektrycznego ciecz taka zostaje zatrzymana w postaci zestalonej pomiędzy elektrodami – wyjaśnia Michał Łepek. W momencie wyłączenia pola elektrycznego układ wraca do postaci ciekłej. Ciecz elektroreologiczna została opatentowana w 1947 roku przez amerykańskiego naukowca Willisa Winslowa. Przez lata znalazła różnorodne zastosowania inżynierskie, m.in. w hamulcach, sprzęgłach, amortyzatorach, zaworach hydraulicznych, polerowaniu ściernym i wyświetlaczach dotykowych – wylicza Michał Łepek. Do tej pory brakowało jednak ścisłego i efektywnego opisu teoretycznego procesu koagulacji takiej cieczy. W naszej pracy „Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains” wyprowadziliśmy równania, pozwalające wyznaczyć średni rozkład wielkości tworzących się łańcuchów na dowolnym etapie procesu scalania cząstek – tłumaczy Michał Łepek. Rozwiązania te dostarczają także informacji na temat odchylenia standardowego od średniego rozkładu (jakże przydatne w pracy z rzeczywistymi danymi!). Rozwiązania teoretyczne porównaliśmy z wynikami symulacji numerycznych oraz z danymi eksperymentalnymi. Skorzystaliśmy z wyników eksperymentu, którym była agregacja cząstek polistyrenu w mieszaninie H2O i D2O, czyli wody i ciężkiej wody. Naukowcy z Wydziału Fizyki PW otrzymali bardzo dobrą, niespotykaną do tej pory zgodność. W ten sposób, co podkreślili także recenzenci, po ponad 70 latach od wynalezienia cieczy elektroreologicznej w końcu uzyskano satysfakcjonujące rozwiązanie teoretyczne tego procesu. Nasza praca daje konkretny opis statystyczny cząstek w dowolnym momencie koagulacji – mówi Michał Łepek. Można ten opis wykorzystać do lepszego zrozumienia dynamiki procesu i być może do polepszenia sprawności urządzeń, które korzystają z koagulacji elektroreologicznej (wspomniane wcześniej hamulce, zawory, sprzęgła…). Niewykluczone, że opis ten może się przydać szerzej w wyjaśnianiu zjawisk, zachodzących w zawiesinach nanocząsteczkowych, które mogą być elektrycznie lub magnetycznie aktywne. Nie można wykluczyć (ale to już czyste fantazjowanie), że za rok, dwa lub pięćdziesiąt ktoś odkryje proces w socjofizyce lub biologii, który zachodzi dokładnie według rozpracowanego przez nas schematu agregacji – takie rzeczy w nauce się zdarzają. Praca naszych naukowców z Wydziału Fizyki ma także inną zaletę. Wzory, które uzyskaliśmy, są (z naszego punktu widzenia) bardzo proste – zaznacza Michal Łepek. Nie potrzeba żadnej wiedzy z fizyki ani tym bardziej fizyki teoretycznej, żeby je zastosować. Wystarczy wziąć równania, wpisać, jaki rozmiar układu i czas nas interesują, i otrzymujemy wynik. Każdy inżynier (lub też nieinżynier) może to zrobić na swoim komputerze. Tym bardziej, że zamieściliśmy w Internecie bibliotekę programistyczną, napisaną właśnie na potrzeby tej pracy. Wszystko jest zatem podane na tacy. To nowość. Do tej pory teoretyczne studia nad koagulacją były tematem podejmowanym głównie przez wąską grupę naukowców. Liczę, że dzięki uproszczeniu wyników opisu teoretycznego, ktoś z politechniki naszej lub innej będzie w stanie ten opis wykorzystać do swojej pracy. Nowe badania Teraz zespół z PW chce zbadać, czy opracowany opis koagulacji elektroreologicznej można zastosować też do koagulacji magnetoreologicznej (czyli tej pod wpływem pola magnetycznego). To byłoby szczególnie ciekawe, bo warunki dla koagulacji magnetoreologicznej dużo łatwiej otrzymać w rzeczywistym zastosowaniu – zwraca uwagę Michał Łepek. Ciecz magnetoreologiczna jest używana chociażby w amortyzatorach pojazdów armii amerykańskiej.   « powrót do artykułu

Dzięki samozasilającemy się e-bandażowi, który generuje pole elektryczne nad miejscem urazu, czas gojenia rany ulega ogromnemu skróceniu. Do trudno gojących się przewlekłych ran należą owrzodzenie związane z zespołem stopy cukrzycowej, owrzodzenie żylakowe czy niektóre rany po zabiegach chirurgicznych. Lekarze wypróbowali wiele metod, by wspomóc ich gojenie, w tym ekspozycję na tlen czy terapię czynnikami wzrostu, ale często wykazywały one ograniczoną skuteczność. Już w latach 60. specjaliści zaobserwowali jednak, że stymulacja elektryczna wspomaga gojenie skóry. Ponieważ sprzęt potrzebny do generowania pola elektrycznego jest często duży i zabieg może wymagać hospitalizacji, Weibo Cai, Xudong Wang i zespół postanowili opracować elastyczny, samozasilający się bandaż, który będzie przekształcać ruchy skóry w terapeutyczne pole elektryczne. Do zasilania e-bandaża naukowcy wyprodukowali ubieralny nanogenerator. Składa się on z zachodzących na siebie arkuszy poli(tetrafluoroetylenu), folii miedzianej i poli(tereftalanu etylenu). Nanogenerator przekształca ruchy skóry, które występują podczas normalnej aktywności czy oddychania, w niewielkie pulsy elektryczne. Prąd przepływa do 2 elektrod roboczych, które są rozmieszczane po obu stronach rany, by wytwarzać słabe pole elektryczne. E-bandaż przetestowano na ranach skóry na grzbiecie szczurów. Okazało się, że rany przykryte e-bandażami zamykały się w ciągu 3 dni (w porównaniu do 12 dni w przypadku bandaża bez pola elektrycznego). Autorzy raportu z pisma ACS Nano uważają, że szybsze gojenie ran ma związek ze wzmożeniem migracji, namnażania i różnicowania fibroblastów pod wpływem pola elektrycznego. « powrót do artykułu