Znajdź zawartość

Kolorami na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym można sterować elektrycznie, bez użycia skomplikowanych filtrów barwnych – przekonują chemicy i fizycy Wojskowej Akademii Technicznej. Badany przez nich efekt elektrooptyczny w przyszłości może znaleźć zastosowania w energooszczędnych telewizorach lub inteligentnych oknach. Na szybie inteligentnego okna można wyświetlić lagunę albo zmieniać jej barwę tak, aby nie wpuszczała zbyt wiele ciepła i pozwalała oszczędzić na klimatyzowaniu wnętrz... Takie szyby, a także telewizory o jeszcze lepszych barwach, uzyskiwanych w prostszy technologicznie sposób – to dalekie, ale możliwe zastosowania tzw. cholesteryków z ukośną helisą. Efekt sterowania ukośną helisą za pomocą pola elektrycznego bada dr inż. Mateusz Mrukiewicz. Naukowiec przywiózł tę wiedzę z Kent State University w Ohio i – jako jedyny specjalista tej dziedziny badań w Polsce – rozwija ją na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT. Ciekłe kryształy mają różne fazy, czyli zmieniają się w zależności od warunków, na przykład temperatury. W telewizorach LCD została zastosowana tzw. faza nematyczna ciekłych kryształów. W tej fazie cząsteczki łatwo mogą zmieniać swoją orientację po przyłożeniu pola elektrycznego. Chiralne fazy ciekłokrystaliczne skręcają światło spolaryzowane. Naukowcy znaleźli jednak sposób uzyskiwania cząsteczek skręconych w prostej fazie nematycznej. Są to chiralne nematyki. Ich zastosowanie w tej właśnie prostej fazie mogłoby bardzo obniżyć koszty urządzeń takich jak wyświetlacze. Skręcone (chiralne) ciekłe kryształy odbijają światło. Nazywa się to efektem selektywnego odbicia. Przez wiele lat nie można było jednak sterować kolorami, czyli długością fali odbitego światła za pomocą pola elektrycznego. Efekt był niemożliwy do osiągnięcia bez użycia skomplikowanej technologii. Jeszcze dziesięć lat temu materiał odbijał tylko światło o danej długości fali – czyli na przykład tylko światło zielone. I, jeżeli chcieliśmy uzyskać światło czerwone, musieliśmy podgrzać ten materiał albo zmodyfikować go chemicznie. Nie mogliśmy tego zrobić w sposób natychmiastowy. Nie było po prostu takich materiałów, w które pozwalałyby uzyskać w bardzo prosty sposób barwy od ultrafioletu aż do podczerwieni – tłumaczy dr inż. Mrukiewicz. Około 2010 r. stworzono nową klasę materiałów ciekłokrystalicznych o kształcie wygiętym, przypominającym banany. W mieszaninach tych molekuł uzyskano strukturę sprężyny, zwanej fachowo ukośną helisą. Wcześniej nie dało się tą sprężyną sterować. Dziś naukowcy potrafią ją naciskać i rozciągać. Zmieniając pole elektryczne przykładane do takiego materiału można sterować kolorem odbitego światła. Efekt sterowania ukośną helisą w nowych materiałach odkryto dopiero w 2015 roku w amerykańskim ośrodku, gdzie pracował dr Mrukiewicz. Obecnie, w materiałach wytwarzanych w WAT badacze sterują odbiciem światła za pomocą pola elektrycznego, można powiedzieć – za pomocą baterii. Uzyskują w ten sposób bardzo szeroki zakres – od promieniowania UV do podczerwieni. Nowe materiały muszą jak najszybciej „przełączać się” na różne barwy. Naukowcy chcą, żeby efekt był jak najszybszy – po to, żeby można go było zastosować. Na razie ten czas jest zbyt długi i silnie zależy od temperatury – potrzebna jest bardzo wysoka. Pokonanie tej bariery znacznie skróci czas reakcji takiego ośrodka. Dr Mrukiewicz zmniejszył temperaturę przejścia fazowego w ciekłym krysztale i tak dobrał skład mieszaniny, żeby można było ten efekt uzyskać w temperaturze pokojowej. Naukowiec prowadzi również badania dotyczące sterowania kolorem za pomocą światła UV oraz ustala, jaki wpływ na odbity kolor ma kierunek wiązki padającego światła. Grupa chemiczna tworzy materiały, mieszając różnego rodzaju molekuły prętopodobne i zgięte. Grupa fizyków bada przejścia fazowe i właściwości elektrooptyczne nowych materiałów za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego oraz spektrofotometrów. To dopiero początkowy etap badań podstawowych. W dalszej przyszłości w nowej generacji telewizorach LCD kolor mogłyby wytwarzać piksele sterowane elektrycznie, bez obecnie stosowanych skomplikowanych filtrów barwnych. Nowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne zużyłyby mniej energii, wyświetlając pełną gamę barw. « powrót do artykułu

Badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ETH w Zurychu i Uniwersytetu w Cambridge zademonstrowali aktywne mikrocząstki poruszające się w płynie pod wpływem zewnętrznego oświetlenia, których kierunek ruchu zależy od długości fali padającego światła. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Communications. Materia aktywna to układy, których elementy mogą samoistnie poruszać się, czerpiąc energię ze swojego otoczenia i przekształcając ją w energię kinetyczną. Badania nad nimi są obecnie bardzo dynamiczną dziedziną fizyki. Obejmują one wiele skal czasowych i przestrzennych, m.in. zachowania ptaków w stadach (np. szpaków tworzących na wieczornym niebie dynamicznie ewoluujące wzory) czy ryb w ławicach (jako forma ochrony przed drapieżnikami), ale również bakterii w biofilmach i innych pływających mikroorganizmów w środowisku wodnym. Przedmiotem tej dziedziny są zarówno badania indywidualnych elementów składowych i zrozumienie mechanizmów konwersji energii, szczegółów oddziaływania i sprzężenia z otoczeniem, tak ważnych np. dla przeżycia mikroorganizmów, jak i prace nad efektami kolektywnymi i emergencją nowych zjawisk w dużych populacjach. Jedne i drugie mogą być z powodzeniem opisywane na różnych poziomach dokładności, począwszy od minimalistycznych modeli gruboziarnistych, a skończywszy na wyrafinowanych symulacjach numerycznych. Bakterie, algi, plemniki, orzęski i inne jednokomórkowe organizmy stanowią ważną grupę tzw. aktywnych pływaków. Zrozumienie fizycznych podstaw ich dynamiki jest często trudne ze względu na różnorodność, złożoność biologiczną i dużą wrażliwość na warunki otoczenia. Wodny mikroświat rządzi się jednak uniwersalnymi prawami fizyki cieczy, które nakładają ograniczenia na wszystkie organizmy. Ze względu na małe rozmiary – rzędu mikrometrów – i prędkości nieprzekraczające typowo kilkudziesięciu rozmiarów komórki na sekundę, przepływ płynu wokół nich jest zdominowany przez efekty lepkościowe. Oznacza to, że strategie pływania, które sprawdzają się dla rekinów czy pływaków olimpijskich, kompletnie zawodzą dla mikroskopijnych zawodników. Pływanie w skali makro opiera się bowiem na efektach bezwładności i poruszaniu się przez gwałtowny odrzut wody w przeciwnym kierunku. W mikroskali efekty te są pomijalne, a woda zachowuje się jak bardzo lepki płyn, np. miód. Spróbujmy wyobrazić sobie pływanie kraulem w basenie pełnym miodu – spodziewamy się, że będzie to bardzo wycieńczające i mało efektywne. Dlatego mikroorganizmy wykształciły inne strategie pływania, oparte na wykorzystaniu lepkości. Bakterie mają często helikalne wici, którymi "wkręcają" się w płyn niczym korkociągi. Okazuje się, że w lepkim świecie strategia ta pozwala na efektywne poruszanie się komórek. Większe mikroorganizmy, takie jak orzęski (wśród nich znany powszechnie ze szkolnej biologii pantofelek), pokryte są tysiącami krótkich rzęsek. Poruszają one nimi w skoordynowany sposób, przypominający meksykańską falę na stadionie. Mechanizm ten pozwala na transport płynu wzdłuż powierzchni komórki, a w efekcie na ruch komórki w przeciwną stronę do kierunku fal rzęsek na powierzchni. Zrozumienie tych mechanizmów zainspirowało rozwój syntetycznych mikropływaków. Perspektywa wytwarzania mikrorobotów w laboratorium od dziesięcioleci rozbudza wyobraźnię badaczy ze względu na możliwe zastosowania diagnostyczne, medyczne i przemysłowe, takie jak np. precyzyjny transport leków w ciele pacjenta. Z tego punktu widzenia szczególnie ważna jest nie tylko możliwość produkcji takich pływaków, ale również kontrola kierunku ich ruchu. Opisany powyżej mechanizm transportu płynu przez orzęski (stosowany również w organizmach wielokomórkowych, np. ludzkich – przez rzęski w płucach albo w drogach rodnych do transportu śluzu), zainspirował opracowanie całej gamy pływaków opartych na zjawisku dyfuzjoforezy. Wyjaśnimy to na przykładzie doświadczenia z tzw. cząstką Janusa (nazwa nawiązuje do rzymskiego boga o dwóch twarzach) – mikroskopijną kulą o jednej półkuli pokrytej złotem, a drugiej pokrytej platyną. Po umieszczeniu jej w roztworze wody utlenionej (H2O2) platyna katalizuje rozkład płynu do wody i tlenu. W efekcie stężenie produktów reakcji po stronie platynowej półkuli jest większe, a zatem pojawia się przepływ płynu wzdłuż powierzchni, zmierzający do wyrównania stężeń. Podobnie jak w przypadku mikroorganizmów, przepływ względem powierzchni wywołuje ruch samej cząstki w przeciwnym kierunku. Mamy zatem do czynienia z układem, który lokalnie przekształca energię chemiczną otoczenia w energię kinetyczną swojego ruchu. Mechanizm opisany powyżej jest uniwersalny – niezbędnym składnikiem jest niejednorodne stężenie produktów reakcji chemicznej na powierzchni. Co więcej, możemy zastąpić go np. niejednorodnym rozkładem temperatury albo rozkładem potencjału elektrostatycznego. Wszystkie te mechanizmy zostały doświadczalnie potwierdzone w układach mikroskopowych. Warto podkreślić, że rozmiary i prędkości takich pływaków są porównywalne z układami biologicznymi, które stanowiły inspirację. A zatem poprzez badania sztucznej materii aktywnej zyskujemy dodatkowe okno, przez które możemy zajrzeć do pływającego mikroświata. W toku rozwoju badań syntetycznej materii aktywnej zaproponowano wiele lokalnych mechanizmów napędowych. Wyzwaniem pozostaje jednak kontrola ruchu pływaka, pozwalająca "zaprogramować" go tak, by dotarł w określone miejsce i np. dostarczył lek do wybranej części ciała pacjenta. Alternatywnie mógłby on być sterowany przez zewnętrznego operatora za pomocą określonych bodźców. Bodźcem takim może być np. promieniowanie elektromagnetyczne, pole magnetyczne, elektryczne, nierównomierny rozkład temperatur albo sygnał akustyczny. O jednej z propozycji w tym kierunku traktuje nowa praca badaczy z Wydziału Fizyki UW, ETH w Zurychu i Uniwersytetu w Cambridge, która ukazała się w czasopiśmie Nature Communications. Zaprezentowano w niej zmodyfikowane mikrocząstki Janusa, poruszające się w płynie pod wpływem zewnętrznego oświetlenia, których kierunek ruchu zależy od długości fali padającego światła. Cząstki o średnicy 3,5 mikrona zostały wykonane z anatazu – jednej z odmian polimorficznych dwutlenku tytanu – a jedna ich półkula została pokryta złotem. Oświetlone zielonym światłem poruszają się one w kierunku wyznaczonym przez "złotą czapkę", zaś oświetlone światłem ultrafioletowym – w przeciwnym. Cząstki zostały zsyntetyzowane na ETH w Zurychu przez dr. Hanumanthę Rao Vutukuriego i prof. Jana Vermanta. Przez zmianę długości fali światła aktywujemy różne mechanizmy katalityczne na powierzchni cząstek, dzięki czemu możemy bardzo szybko i w kontrolowany sposób sterować ich ruchem – mówi dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW. Ponadto widzimy bardzo ciekawą dynamikę kolektywną: cząstki tego typu potrafią wzajemnie się przyciągać lub odpychać, w zależności od wzajemnej orientacji i koloru oświetlenia. Obserwujemy w ten sposób gwałtowne procesy fuzji i rozszczepienia, których dynamiką możemy sterować. Opis ruchu w takich układach wymaga uwzględnienia zarówno oddziaływań chemicznych cząstek poprzez niejednorodne pole stężenia reagentów, które powstają na ich powierzchniach, jak również poprzez przepływ płynu wywołany ich obecnością. Model teoretyczny, pozwalający opisać dynamikę nowego typu cząstek aktywnych, został stworzony przez dr. Macieja Lisickiego z UW i prof. Erica Laugę z Uniwersytetu w Cambridge. Przy mikrometrowych rozmiarach cząstek ciecz wokół nich zachowuje się jak bardzo lepki płyn – mówi Maciej Lisicki. Ich oddziaływania hydrodynamiczne mają przez to bardzo daleki zasięg, a więc ruch każdej cząstki jest odczuwany przez wszystkie inne. Badacze, którzy od dawna zajmują się zastosowaniami zjawiska dyfuzjoforezy do transportu płynu w mikroskali i tworzenia syntetycznych pływaków, uważają, że nowy, odwracalny i kontrolowany, mechanizm poruszania się cząstek Janusa jest krokiem na drodze do konstrukcji bardziej złożonych mikrorobotów, które będą w stanie transportować ładunki w skali komórkowej. Może on również zostać wykorzystany do kontroli dynamiki kolektywnej w mikroskali. Lokalne oświetlenie może bowiem wywoływać ruch cząstek aktywnych w pożądanym kierunku. W zawiesinach wieloskładnikowych z dodatkiem cząstek aktywnych może to być efektywny mechanizm mieszania, które w mikroskali jest istotnym wyzwaniem technicznym. « powrót do artykułu

Studentka Akademii Górniczo-Hutniczej zbudowała innowacyjną wersję urządzenia do sterowania panelami słonecznymi. Konstrukcja naśladuje ruchy roślin, podążając za najkorzystniejszym nasłonecznieniem. Projekt studentki AGH Karoliny Gocyk zakłada umieszczenie panelu solarnego na szkielecie o kształcie łodygi, który ma na sobie mniejsze ogniwa słoneczne i podłączone do nich mechanizmy sterujące konstrukcją. Szkielet jest elastyczny i może dowolnie poruszać się za zmieniającym położenie słońcem. Dzięki temu ten tzw. "tracker" pozwala panelom zmienić ich kąt nachylenia w zależności od padania światła, aby jak najefektywniej wykorzystać energię słoneczną. Łodyga może być budowana na wiele sposobów i dzięki temu dostosowywać się do różnego środowiska. To z kolei pozwala na ulokowanie ogniw w dowolnym miejscu np. na dachu, czy innej pochyłej powierzchni. Modułowa konstrukcja sprawia, że mechanizm jest bardziej odporny na wiatr czy mróz. Dzięki elastyczności urządzenia, panele można umieścić także na dużej przestrzeni, w której mogą one dobrze współpracować, nawet w ścisku. Znacznie zwiększa to wydajność dotychczasowych farm fotowoltaicznych, na których panele musiały być instalowane w określonej odległości. Rozwiązanie pozwala także tworzyć małe farmy słoneczne na użytek gospodarstwa domowego, a także mini elektrownie, które można umieścić na biurku czy parapecie. Te ostatnie mogą naładować np. telefon, powerbank czy inną elektronikę o małym poborze mocy. Karolina Gocyk za swój projekt zdobyła nagrodę podczas festiwalu naukowego Gdynia E(x)plory Week 2018. Obecnie jej pomysł jest na etapie prototypu, jednak niewykluczone, że mógłby znaleźć firmę zainteresowaną produkcją takich urządzeń na szerszą skalę. Byłaby to szansa na zwiększenie popularności paneli słonecznych wśród osób prywatnych czy przedsiębiorców. Projekt Karoliny Gocyk to jeden z wielu wynalazków studenckich na naszej uczelni wykorzystujących słońce jako źródło energii. W AGH powstała już łódź solarna, a w planach jest ukończenie bezzałogowego samolotu o napędzie słonecznym. Studenci AGH uczyli także fotowoltaiki w Tadżykistanie. « powrót do artykułu