Znajdź zawartość

Dla jednych bezcenny materiał na biżuterię i źródło estetycznych zachwytów, dla innych świetny materiał na wytrzymałe elementy maszyn, dla jeszcze innych okazja do zbadania i poszerzenia swojej wiedzy. Szafir. Jeden z najcenniejszych i najpiękniejszych kamieni szlachetnych. Dla astrologa szafir będzie kamieniem magicznym, dla chemika po prostu trójtlenkiem glinu (Al2O3), ale cenią go wszyscy. Szafir słynie ze swojej twardości i odporności na zarysowania. Może być używany zamiast diamentu, w elektronice i mechanice ceni się też jego właściwości elektryczne i cieplne. Potrafimy go wytwarzać sztucznie, ale to nie znaczy, że wiemy o nim wszystko. Badania nad strukturą kryształów i zmianami, jakie zachodzą w ich właściwościach pod wpływem niewielkich zmian lub domieszek skutkują coraz lepszym zrozumieniem zasad rządzących materią i rozwojem nwych technologii materiałowych. A właśnie amerykańsko-niemieckiej ekipie naukowców udało się przyjrzeć strukturze szafiru tak blisko, jak jeszcze nikomu. W tym celu naukowcy z Case Western Reserve University - Arthur Heuer i Peter Lagerlöf - udali się do niemieckiego Institute of Solid State Research w Julich gdzie oczekiwał na nich Chunlin Jia. Swojego wsparcia teoretycznego udzielał ponadto Jacques Castaing z francuskiego Laboratorie Physique des Materiaux. Badania przeprowadzano w Ernst Ruska-Centre for Electron Microscopy, gdzie znajduje się elektronowy mikroskop transmisyjny, który wymaga trudnego przygotowania próbki w postaci bardzo cienkiej płytki, ale w zamian zapewnia bardzo duże powiększenia. Badania przeprowadzono na syntetycznym szafirze, jaki stosuje się w konstrukcji specjalistycznych układów elektronicznych. Zobaczenie na własne oczy drobnych zaburzeń w strukturze kryształu wymagało ponadto wykorzystania efektu negatywnej aberracji sferycznej do uzyskania obrazu. Była to pierwsza udana próba zastosowania tej techniki do uzyskania obrazów defektów w materiałach ceramicznych z rozdzielczością poniżej jednego angstrema (1 Å = 0,1 nanometra). Oczom uczonych ukazały się wyraźnie pojedyncze atomy glinu i tlenu, tworzące krystaliczne struktury sześciokrotnych wielościanów glinu. Wśród nich można było zobaczyć rdzenie dyslokacji, powodujące zmiany kształtu wielościanów na czterokrotne. Każdy taki rdzeń zakończony był atomem glinu. To właśnie one wpływają na właściwości szafiru: zachowuje on właściwości elektrycznego izolatora, kiedy rdzenie dyslokacji otaczają najwyżej połowę położeń atomów glinu. Zrozumienie niuansów budowy szafiru (oraz innych kryształów) pozwoli w przyszłości na kontrolowanie ich czystości, a więc właściwości mechanicznych, cieplnych, elektrycznych czy magnetycznych. Na to zaś niecierpliwie czeka na przykład przemysł półprzewodników, czy laserów, gdzie szafiry są powszechnie stosowane. Chociaż panie zawsze zapewne będą wolały te naturalne, nawet jeśli nie będą idealne. Studium na ten temat opublikowano w periodyku Science z 26 listopada 2010.

Urazy mózgu to poważny problem medyczny - tak naprawdę nie potrafimy w żaden sposób mózgu naprawiać, musimy zdawać się na jego naturalne zdolności samoleczenia. Te są spore - w ciągu miesiąca od wypadku mózg intensywnie odbudowuje się, odtwarzając w miarę możliwości uszkodzone połączenia. Niestety, mimo to u wielu osób poszczególne obszary mózgu pozostają niesprawne. Jeśli inne części nie zdołają przejąć ich funkcji, odbija się to negatywnie na sprawności ofiar - są to zaburzenia równowagi, luki w pamięci, utrata niektórych naturalnych umiejętności (np. mówienia) i inne skutki. Dwójka naukowców postawiła sobie ambitny cel - znalezienie sposobu na wymuszenie budowy nowych połączeń pomiędzy odległymi częściami mózgu, które pozwoliłyby wielu chorym odzyskać sprawność intelektualną. Pedram Mohseni, profesor inżynierii elektrycznej i informatyki na Case Western Reserve University oraz Randolph J. Nudo, profesor fizjlogii molekularnej i integracyjnej w Kansas University Medical Center wspólnie stworzyli elektroniczne urządzenie, które zastępuje połączenia pomiędzy obszarami mózgu. Wyszli oni z założenia że wymuszona i sztucznie podtrzymywana komunikacja spowoduje wykształcenie dalekosiężnych aksonów (neurytów, stanowiących połączenia pomiędzy neuronami) pozwalających odległym obszarom mózgu na przejęcie funkcji uszkodzonych miejsc. Ich wynalazek to sterowany mikroprocesorem obwód udający zwyczajne połączenie, autorzy nazywają go interfejsem mózg-maszyna-mózg. Nie było to proste, mikroprocesor (wielkości monety) na bieżąco analizuje impulsy nerwowe mózgu i wybiera te, które ma przekazywać dalej - tak zwane potencjały czynnościowe. Są one odfiltrowywane od szumu oraz pozostałej aktywności komórek mózgu i przekazywane do wybranego miejsca. Aktualnie trwają eksperymenty laboratoryjne na szczurach, jeśli potwierdzi się ich bezpieczeństwo, rozpoczną się szerzej zakrojone testy. Do zastosowań medycznych jest jeszcze daleko - według ostrożnych szacunków testy na ludziach będzie można rozpocząć nie wcześniej, niż za 10 lat. Prace trwają od trzech lat, obecnie zostały dofinansowane kwotą prawie półtora miliona dolarów z programu medycznego amerykańskiego Departamentu Obrony - urazy mózgu to jedne z najczęstszych obrażeń u żołnierzy walczących np. w Afganistanie.

Niewielu ludzi wie, że pierwszy zaprojektowany komputer nie składał się z elementów elektronicznych, tylko mechanicznych. W czasach wiktoriańskich wymyślił go genialny Charles Babbage. Do lat osiemdziesiątych można było jeszcze w Polsce zobaczyć mechaniczne kasy sklepowe, które przy braku prądu działały na korbkę. Od tego czasu zarzucono całkowicie - poza zabawą - mechaniczne maszyny liczące. Być może jednak, że powrócą one do niektórych zastosowań, tam, gdzie elektronika się nie sprawdza. Krzemowe układy scalone zapewniają niesamowitą szybkość obliczeń, ale mają jedną wadę: wrażliwość na temperaturę. Kryształy krzemu niszczeją już przy temperaturze około 250ºC, oparta na nich elektronika przestaje funkcjonować znacznie wcześniej. Do wzmacniania odporności krzemu można używać węglika krzemu, ale takie układy elektroniczne są powolne i wymagają wysokich napięć. Dlatego zespół inżynierów Case Western Reserve University pod kierunkiem Te-Hao Lee i Mehrana Mehregany'ego powrócił do idei układów mechanicznych. Ale nie będą one się już składać z wielkich przekładni i kół zębatych. Wszystko zostanie wykonane w nanoskali. Pierwszym sukcesem jest stworzenie mechanicznej wersji inwertera (bramki logicznej NOT), jednego z podstawowych elementów elektronicznych. Zamiast wykorzystywać półprzewodniki, konstrukcja wykorzystuje jednak miniaturowe dźwignie, poruszane dzięki sile przyciągania elektrostatycznego. Wykonany prototyp działał z prędkością 500 tysięcy przełączeń na sekundę i wykonywał poprawne obliczenia przy temperaturze nawet 550ºC. Wyniki są obiecujące, choć pozostaje do rozwiązania wiele trudności. Elementy mechaniczne zużywają się bardzo szybko w porównaniu do półprzewodnikowych, bo już po dwudziestu miliardach cykli. Znikoma jest prędkość takiego układu obliczeniowego, nawet w porównaniu ze współczesnym procesorem w telefonie komórkowym. To akurat nie musi być dużą wadą, bo oczywiście tak skonstruowany komputer nie będzie wykorzystywany w naszych domach, znajdą się dla niego niecodzienne zastosowania, jak na przykład w elementach kontroli silników rakietowych. Zespół uważa jednak, że możliwe jest zwiększenie wytrzymałości mechanicznych nanodźwigni o poziomu większego od współczesnych mikrokontrolerów oraz osiągnięcie prędkości przełączania liczonej w gigahercach. Aktualnie jednak trwają prace nad dodaniem bardziej złożonych elementów logicznych, jak rejestry oraz sumator. Tym, którym trudno wyobrazić sobie takie elementy, polecamy krótki film pokazujący działanie mechanicznego sumatora, analogicznego to tego, jaki znajduje się w każdym mikroprocesorze. Z tą różnicą, że zamiast elektronów używa się kulek. http://www.youtube.com/watch?v=GcDshWmhF4A

Amerykańscy uczeni dowiedli, że serce można stymulować nie tylko impulsami elektrycznymi, ale również światłem. Odkrycie może doprowadzić do pojawienia się laserowych rozruszników serca, nowej klasy urządzeń medycznych oraz pozwoli na przeprowadzenie niedostępnych dotychczas badań. Naukowcy z Case Western Reserve University oraz Vanderbilt University wykorzystali laser działający w podczerwieni, do regulowania rytmu serca kilkudniowego embrionu przepiórki. Mogli dzięki niemu przyspieszać i zwalniać puls, regulując w ten sposób siłę, z jaką krew uderza o mięsień. Metoda ta przyda się do sprawdzenia, w jaki sposób różny rytm serca może wpłynąć na pojawienie się w przyszłości chorób serca. Już wcześniejsze badania wykazały, że mięsień sercowy jest wrażliwy na różne tempo przepływu krwi, co znajduje swoje odbicie odpowiedzi genetycznej i molekularnej. Wykorzystanie lasera otwiera przed badaczami możliwości, których nie dają tradycyjne rozruszniki. "Gdy przykładam do tkanki napięcie elektryczne, prąd rozchodzi się wszędzie i stymulowany jest znacznie większy region. Tutaj możemy skoncentrować promień i, teoretycznie, stymulować nawet pojedynczą komórkę" - mówi Michael Jenkins z Case Western. Użycie lasera ma i tę zaletę, że nie niszczy komórek. Wykorzystanie prądu często prowadzi co zniszczenia części z nich, co wprowadza do eksperymentów niepożądane zmienne. Być może w przyszłości powstaną laserowe rozruszniki serca. Jednak zanim to się stanie, naukowcy muszą zbadać, co powoduje, że światło wpływa na działanie serca. Jedna z teorii mówi, że fotony są absorbowane przez molekuły wody, co prowadzi do lokalnego wzrostu temperatury. To z kolei wpływa na transport sodu przez błony komórkowe i wolniejsze lub szybsze skurcze. Teoria ta jest tym bardziej prawdopodobna, że niedawno uczeni z Vanderbilt University wykazali, iż za pomocą lasera można wywołać impulsy elektryczne w obwodowym układzie nerwowym. Światło wykorzystuje się do stymulacji komórek od niedługiego czasu. Jednak obecnie wykorzystywane techniki zakładają wprowadzenie do komórek genów z bakterii wrażliwych na działanie światła. Użycie lasera, a zatem stymulacja za pomocą molekuł wody a nie bakteryjnego DNA, jest znacznie prostszą techniką. Jednak, jak zauważa Loren Frank, profesor fizjologii z University of California z San Francisco, laser ma swoje ograniczenia. Może być użyty tylko tam, gdzie komórki odpowiadają na zmiany temperatury oraz gdzie dominuje jeden typ komórek. Laser, zdaniem Franka, nie sprawdzi się zatem przy stymulowaniu komórek mózgu. Jednak świetnie powinien spisać się w stymulacji serca. Chociażby dlatego, że krzemowe i szklane elementy laserów są znacznie bardziej obojętne dla komórek niż elementy metalowe, wykorzystywane w tradycyjnych rozrusznikach. Ponadto pacjenci z laserowymi rozrusznikami mogliby bezpiecznie korzystać z rezonansu magnetycznego. Ponadto, jak zauważył profesor E. Duco Jensen, problem z pobudzaniem komórek mózgu można częściowo obejść, badając odpowiedzi nerwów znajdujących się poza mózgiem.

Grupa naukowców zaproponowała teorię, która opisuje nieznany dotychczas typ gwiazd. Uczeni nazwali je gwiazdami elektrosłabymi (electroweak star). Glenn Starkman z Case Western Reserve University, De-Chang Dai i Dejan Stojkovic ze State University of New York oraz Arthur Lue z należącego do MIT-u Lincoln Lab opisali swoją teorię w Physical Review Letters. Gwiazdy elektrosłabe miałyby powstawać z niektórych gwiazd kończących właśnie swój żywot. Obiekty te w ostatniej fazie przed zapadnięciem się w czarną dziurę lub też zamiast tego procesu miałyby przechodzić w gwiazdę elektrosłabą. Tak jak w przeciętnej gwieździe dochodzi przemiany lżejszych jąder (np. wodoru) w cięższe (np. hel), w gwieździe elektrosłabej ma dochodzić do konwersji cięższych kwarków w lżejsze leptony. Jak zauważa Starkman, taka możliwość jest przewidziana przez Model Standardowy. Zmiana kwarków w leptony jest zjawiskiem tak rzadkim, że raczej nie wydarzyła się we wszechświecie w ciągu ostatnich 10 miliardów lat. Jedynymi miejscami, gdzie zaszła, mogą być, zdaniem Starkmana, gwiazdy elektrosłabe i laboratoria zaawansowanych nieznanych nam cywilizacji. Zdaniem naukowców, niezwykle wysokie ciśnienie i temperatura, jakie panują we wnętrzu umierającej gwiazdy mogą prowadzić do zamiany kwarków w leptony. Mielibyśmy wówczas do czynienia z gwiazdą elektrosłabą. Energia tych oddziaływań może doprowadzić do zatrzymania procesu zapadania się gwiazdy. Przez jakiś czas umierająca gwiazda może istnieć właśnie jako gwiazda elektrosłaba, a następnie zapada się w czarną dziurę. W niektórych przypadkach gwiazda elektrosłaba może mieć na tyle dużo energii, że nigdy nie zapadnie się w czarną dziurę. Gwiazdy tego typu emitują przede wszystkim neutrino, dlatego też nie potrafimy ich wykryć. Jedynie niewielką część ich emisji stanowi światło. Dzięki niemu być może będziemy w stanie wykryć kiedyś gwiazdy elektrosłabe. Zanim jednak to się stanie, musimy lepiej je poznać tak, by wiedzieć, czego należy szukać. Teoretycy obliczają, że gwiazdy elektrosłabe mogą istnieć nawet przez 10 milionów lat.

Naukowcy z Case Western Reserve University poinformowali o stworzeniu „supermyszy”. Jest ona w stanie przebiec 5-6 kilometrów w tempie 20 metrów na minutę. Zwierzę może biec bez przerwy przez pięć godzin. Odkrycia dokonano przypadkiem, badając rolę, jaką w mięśniach szkieletowych odgrywa enzym PEPCK-C. Do organizmu myszy wprowadzono dodatkowe geny odpowiedzialne za produkcję PEPCK-C. Poziom enzymu w ich organizmach wzrósł więc ponad normę. U różnych zwierząt poziom ten był różny, ale jedna z najbardziej aktywnych linii zmodyfikowanych myszy miała w organizmie 9 jednostek PEPCK-C na gram masy ciała, podczas gdy norma wynosi 0,08 jednostki na gram. Okazało się, że enzym zmieniło to metabolizm myszy. Spalały one przede wszystkim tłuszcz, a ich mięśnie produkowały mało kwasu mlekowego. Myszy były więc szczupłe i bardzo odporne na zmęczenie. Zwierzęta jadły o 60% więcej, niż niezmodyfikowani przedstawiciele ich gatunku, a przy tym pozostawały szczuplejsze oraz żyły dłużej. Były też dłużej płodne. Niektóre ze zmodyfikowanych zwierząt miały młode w wieku 2,5 lat. Tymczasem „zwykłe” myszy rzadko zostają rodzicami po przekroczeniu pierwszego roku życia. Badania zachowań myszy wykazały, że są one siedmiokrotnie bardziej aktywne oraz bardziej agresywne niż niezmodyfikowani kuzyni. W ramach eksperymentów porównywano też zużycie tlenu oraz produkcję dwutlenku węgla i koncentrację mleczanów we krwi. Zwierzęta wsadzano do kołowrotka, którego kąt wznoszenia wynosił 25 stopni. Początkowa prędkość kołowrotka wynosiła 2 metry na minutę. Co minutę zwiększano ją o kolejne 2 m/min, tak długo, aż mysz przestała biec. Myszy ze zwiększonym poziomem PEPCK-C biegły średnio przez 31,9 minuty, podczas gdy średnia dla grupy niezmodyfikowanej wynosiła 19 minut. Zauważyliśmy dramatyczną różnicę w koncentracji mleczanów we krwi. Na początku wszystkie myszy miały podobny ich poziom. Jednak pod koniec eksperymentu grupa kontrolna miała podniesiony poziom mleczanów, podczas gdy u myszy z dodatkowym PEPCK-C odnotowaliśmy niewielką zmianę – powiedzieli naukowcy. Zmodyfikowane myszy uzyskiwały energię przede wszystkim z tłuszczów. Natomias grupa kontrolna tłuszczów używała tylko na początku, a później korzystała z zawartego w mięśniach glikogenu, co znacząco podniosło poziom mleczanów we krwi. U zwierząt zmodyfikowanych zauważono też podniesiony poziom trójglicerydów w mięśniach szkieletowych. W Sieci udostępniono film pokazujący osiągnięcia supermyszy.

Chirurdzy często słuchają muzyki podczas przeprowadzania operacji. Okazuje się, że to samo pomaga ich pacjentom już po zabiegu. Marion Good, profesor pielęgniarstwa z Case Western Reserve University, badała wpływ muzyki i stosowania technik relaksacyjnych na 500 pacjentów, którzy byli wcześniej poddani temu samemu zabiegowi chirurgicznemu. Zostali oni podzieleni na 4 grupy. Do 1. należały osoby, które opanowały metodę relaksowania szczęk, do 2. ludzie słuchający muzyki, a do 3. pacjenci korzystający z dobrodziejstw i muzyki, i relaksacji. Czwarta grupa była grupą kontrolną. Jej przedstawiciele nie robili nic, by w jakiś sposób poprawić swoją kondycję po operacji. Pacjentom z grup muzycznych odtwarzano 15-minutowe fragmenty utworów jazzowych, na harfę, pianino, syntezator oraz orkiestrę. Wszyscy mieli zapewniony dostęp do środków przeciwbólowych. Po dwóch dniach grupy 1., 2. i 3. donosiły o znacznie mniejszych dolegliwościach bólowych niż grupa 4., która polegała wyłącznie na lekach. Te techniki [muzykoterapia i relaksacja – przyp. red.] ułatwiają kontrolowanie bólu. Nie tylko usuwają niepokój i powodują, że uwaga pacjentów odwraca się od bólu, ale także wpływają na procesy neurologiczne, które modulują przekaźnictwo bodźców bólowych – wyjaśnia Good.