Znajdź zawartość

Współpraca naukowców z Princeton University i University of Washington zaowocowała powstaniem aparatu fotograficznego wielkości kryształu soli. Miniaturowe aparaty powstawały już wcześniej, jednak rejestrowały rozmyte obrazy o ograniczonym polu widzenia. Amerykanie poradzili sobie z tymi problemami i zapewniają, że ich aparat jest w stanie rejestrować pełnokolorowe obrazy o takiej jakości, jaką rejestrują standardowe aparaty o 500 tysięcy razy większych obiektywach. Nowe urządzenie może zostać wykorzystane do minimalnie inwazyjnej endoskopii czy jako systemy wizualne dla miniaturowych robotów. A tysiące takich aparatów umieszczonych na dużej powierzchni pozwoli na zmienienie jej w wielki aparat fotograficzny. W tradycyjnych aparatach fotograficznych stosuje się odpowiednio wyprofilowane szklane lub plastikowe soczewki skupiające światło. Miniaturowy aparat korzysta zaś z metapowierzchni. Ma ona wymiary zaledwie 0,5 x 0,5 milimetra ale zmieszczono na niej 1,6 miliona cylindrycznych słupków. Każdy z nich ma unikatową geometrię i działa jak antena optyczna. Dzięki indywidualnemu dobraniu kształtu każdego ze słupków możliwe było odpowiednie skorygowanie powierzchni falowej docierającego doń światła. Słupki zaprojektowano tak, by ich interakcja ze światłem skutkowała najostrzejszym obrazem o największym polu widzenia wśród wszystkich w pełni kolorowych aparatów fotograficznych wykorzystujących metapowierzchnie. Głównym osiągnięciem naukowców z Princeton i Seattle jest zintegrowanie projektu powierzchni optycznej i algorytmu przetwarzania sygnałów. To znakomicie zwiększyło możliwości aparatu w naturalnym świetle. Wcześniej, by w aparatach wykorzystujących metapowierzchnie uzyskać wysokiej jakości obraz, konieczne było zastosowanie lasera lub stworzenie w laboratorium innych idealnych warunków. Naukowcy porównali swój aparat z innymi wykorzystującymi metapowierzchnie oraz z tradycyjnymi aparatami. Nie licząc nieco rozmytego obrazu na krawędziach, jakość zdjęć z ich miniaturowego aparatu jest porównywalna z jakością zdjęć z aparatu o obiektywie o 500 000 razy większej objętości. Udało się też uniknąć najpoważniejszych problemów trapiących dotychczas miniaturowe aparaty korzystające z metapowierzchni: małego pola widzenia, ograniczonych możliwości rejestracji pełnego spektrum światła widzialnego czy dużych deformacji obrazu. Olbrzymim osiągnięciem jest odpowiednia współpraca setek tysięcy nanoanten z algorytmem przetwarzającym obraz. Dotychczas nie wiedziano, jak to zrobić. Ze względu na wielką liczbę nanoanten, ich różną konfigurację i złożone interakcje pomiędzy nimi a światłem, opracowanie odpowiedniego algorytmu wymagało długiego czasu i olbrzymich zasobów pamięci. Współautor badań, Shane Colburn, poradził sobie z tym problemem tworząc efektywne przybliżenie interakcji pomiędzy światłem a metapowierzchnią. Autorem samej metapowierzchni jest zaś James Whitehead, który stworzył ją na bazie azotku krzemu. To materiał kompatybilny ze współczesnymi technologiami stosowanymi w przemyśle półprzewodnikowych, co oznacza, że można go będzie masowo produkować i będzie tańszy niż tradycyjne soczewki. Zaprezentowane tutaj podejście nie jest niczym nowym, jednak jest to pierwszy system, w którym połączono metapowierzchnię i oparty na sieciach neuronowych system przetwarzania informacji. Najważniejszym osiągnięciem jest tutaj osiągnięcie kompatybilności pomiędzy rozmiarami, kształtem i lokalizacją milionów punktów na metapowierzchni, a parametrami używanymi przez algorytmy przetwarzające dane i uzyskanie dzięki temu obrazu o wymaganej jakości, chwali autorów badań Joseph Mait, były główny naukowiec w U.S. Army Research Laboratory. Obecnie uczeni z Princeton i Seattle pracują nad wyposażeniem swojego aparatu w większe możliwości obliczeniowe. Chcą w ten sposób nie tylko poprawić jakość obrazu, ale również wyposażyć go w możliwość wykrywania obiektów oraz inne cechy przydatne w obrazowaniu medycznym i robotyce. Takie ultrakompaktowe aparaty pozwolą też na zamianę powierzchni w duże aparaty. Cały tył smartfona mógłby być jednym dużym aparatem fotograficzym. Już teraz możemy zacząć myśleć o zupełnie nowej architekturze urządzeń przyszłości, mówi Felix Heide z Princeton University. « powrót do artykułu

Badania naukowe nad nowymi rodzajami materiałów otwierają coraz to nowe perspektywy. Szukamy już nie tylko nanomateriałów, nadprzewodników i stopów z efektem magnetokalorycznym. Prace nad „topologicznym stanem powierzchniowym" obiecują powstanie szybszych układów elektronicznych. Naukowcy z Uniwersytetu w Princeton w swoich poszukiwaniach nowych rodzajów materiałów zainteresowali się tak zwanymi „izolatorami topologicznymi". Pod tą nazwą kryją się materiały, które będąc w swojej objętości izolatorami, jednocześnie przewodzą prąd na swojej powierzchni. Zjawisko to, związane z tzw. kwantowym efektem Halla, występuje pod wpływem pola magnetycznego. Prace zespołu z Princeton, którym kierował profesor Zahid Hasan wykazały, że efekt „topologicznego stanu powierzchniowego" może występować również bez obecności pola magnetycznego. Jednym z materiałów „topologicznych" jest pierwiastek antymon. Ekipa prof. Hasana zajęła się zbadaniem jego metalicznej odmiany. Badaniom pod skaningowym mikroskopem tunelowym poddano specjalnie wyhodowane kryształy metalicznego antymonu - dzieło Roberta Cavy z laboratorium chemicznego Uniwersytetu. Wykazały one wyjątkowe właściwości. Przepływ elektronów na powierzchni normalnych materiałów jest zakłócany przez niedoskonałości jego struktury. W skali mikroskopowej nierówności powierzchni spowalniają na ruch elektronów. Jak się okazuje, kryształy antymonu nie hamują przepływu prądu powierzchniowego mimo nierówności powierzchni. Wygląda to tak, jakby elektrony „omijały" wszystkie przeszkody a nawet przenikały przez nie. Jak mówi Ali Yazdani, fizyk z zespołu badawczego, mikroskopijne bariery na powierzchni tego materiału tworzą szczególny rodzaj fali elektronowej, która najwyraźniej wpływa na wzór przepływu prądu wokół powierzchniowych barier i niedoskonałości. Praktyczne zastosowanie odkrycia być może pozwoli na tworzenie pewniejszych połączeń elektrycznych w nanoskali i produkcję szybszych układów elektronicznych.

Na Princeton University powstał nowy typ czujnika, dzięki któremu możliwa będzie ocena stanu budynków czy mostów. Badanie zmian zachodzących w budowlach i wykrywanie pojawiających się uszkodzeń to bardzo ważne, a jednocześnie niełatwe zadanie. Sigurd Wagner i Patrick Gorrn postanowili wykorzystać laser, organiczne związki chemiczne i elastyczny polimer do stworzenia "skóry", którą można pokryć budowlę. Sprawdzając stan pokrycia można będzie oceniać zmiany zachodzące w samej budowli. Ich pomysł polega na użyciu poli(dimetylosiloksanu), którzy przygotowano tak, by miał falistą strukturę. Na jej powierzchnię nanosi się płynną mieszaninę molekuł organicznych. Gdy całość oświetlimy laserem ultrafioletowym, emitowane jest światło o konkretnej długości fali. W tym wypadku jest to widzialne czerwone światło. Jednak wszelkie zmiany na powierzchni "skóry", jej rozciągnięcie czy ścieśnienie, powodują zmianę długości fali emitowanego światła. Eksperymenty wykazały, że już ściśnięcie gumy o 2,2% prowadzi do zmian, które są wykrywane przez specjalne czujniki. Te potrafią zauważyć różnice sięgające zaledwie 5 nanometrów w długości fali. To bardzo dokładna metoda i jest to jej główna zaleta. W wielu przypadkach dochodzi bowiem do nieznacznych zmian struktury, które nie muszą objawiać się widocznymi uszkodzeniami. Te czujniki pozwalają zanotować takie zmiany - mówi Wagner. Dodatkową zaletą nowej metody jest możliwość sprawdzania zdrowia "skóry" z pewnej odległości oraz uniknięcie konieczności prowadzenia okablowania. Technologia z Princeton znajduje się obecnie w fazie eksperymentalnej. Uczeni szukają teraz jak najlepszych molekuł emitujących światło oraz metod ich umieszczania na PDMS. Wiemy, jak prowadzić eksperymenty. Ale nie znaleźliśmy jeszcze magicznej formuły - zauważył Wagner.

W 1828 roku Friedrich Wöhler, syntetyzując mocznik, dowiódł, że substancje organiczne można wytwarzać w laboratorium. Po niemal dwustu latach zbliżamy się do punktu, w którym będziemy potrafili stworzyć sztuczne życie. Funkcjonujące, syntetyczne białka, jakie stworzyli naukowcy z Princeton University, są milowym krokiem na tej drodze. Dwadzieścia różnych aminokwasów tworzy około stu tysięcy protein, jakie funkcjonują w naszych organizmach. Każda proteina wytwarzana jest dzięki ekspresji określonej sekwencji genów, to właśnie białka, jak trybiki w maszynie, tworzą mechanizm naszych komórek i całego organizmu. Dlaczego jest ich tylko sto tysięcy, choć możliwości ich tworzenia są nieskończone? Czego nie stworzyła natura w drodze ewolucji, postanowił stworzyć profesor Michael Hecht ze swoim zespołem, który na co dzień zajmuje się poznawaniem i rozszyfrowywaniem molekularnych mechanizmów działania komórek i całych żywych organizmów - czyli białek. Chciał sprawdzić, czy proteiny nigdzie nie występujące w naturze, zaprojektowane w laboratorium, będą w stanie funkcjonować w żywych komórkach. Zespół rozpoczął od stworzenia „biblioteki" syntetycznych, skomplikowanych, trójwymiarowych protein. Stworzono ich jeden milion, wszystkie niewidziane w naturze. Pozostało je sprawdzić. Laboratoryjne doświadczenia przeprowadzano na hodowlanych szczepach bakterii, które pozbawiano genów kodujących wybrane białka, konieczne do przeżycia w określonych okolicznościach (np. ograniczonego dostępu do pożywienia) - bez nich bakterie powinny zginąć. Zamiast nich wstawiano bakteriom sekwencje DNA - również zaprojektowane w laboratorium - kodujące syntetyczne białka z „biblioteki". Jeśli nowe białko nie sprawdziłoby się - bakterie powinny zginąć. Okazało się jednak, że w wielu przypadkach bakterie z „przeszczepionym" DNA, kodującym syntetyczne proteiny, żyły i rozmnażały się w najlepsze. Oto mamy tutaj molekularną maszynerię, która poprawnie funkcjonuje w żywym organizmie, mimo że została zaprojektowana od zera i stworzona z równie sztucznych genów - mówi Michael Hecht. - To oznacza, że molekularne elementy życia nie muszą się ograniczać do tych genów i protein, które już istnieją w naturze. Podmiana w organizmach żywych genów na pochodzące od innych gatunków to już niemal rutyna, ale nigdy nie próbowano zaprojektować ich sztucznych odpowiedników. To w istocie ogromny krok w biologii syntetycznej - skoro możemy zaprojektować jeden element, możemy też inne, a skoro tak, to możemy zaprojektować cały żyjący organizm. Droga do syntetycznej komórki jest może jeszcze długa, ale już w naszym zasięgu. Fundusze na badania pochodziły z National Science Foundation, a praca ukazała się w Public Library of Science ONE.

Promień laserowy zwykle ma swoje źródło w odpowiednim - dużym lub małym - generatorze. A czy może mieć swoje źródło po prostu w samym powietrzu? Brzmi jak tania fantastyka... ale już jest możliwe. I może okazać się bardzo przydatne. „Powietrzny laser" to wynalazek uczonych z Princeton University. Potrafią oni na odległość wzbudzić atomy tlenu w powietrzu do takiego poziomu, aby uzyskać wygenerowanie promienia lasera. Taki stan trzeba naturalnie czymś wzbudzić, a służy do tego... laser. Urządzenie pozwala skoncentrować laser ultrafioletowy na wybranym, odległym punkcie w powietrzu o wielkości zaledwie milimetrowego walca. Wzbudzone impulsem atomy tlenu stygnąc generują podczerwone światło, które wędrując przez wzbudzony region pobudza kolejne elektrony, generując spójną wiązkę laserową, która „powraca" do źródła oryginalnego, wzbudzającego lasera. Na razie odległość skutecznego wzbudzenia wiązki powrotnej to około półtorej stopy, ale trwają prace nad zwiększeniem zasięgu, to kwestia odpowiedniej kalibracji i skupienia. Zaskakujący wynalazek ma jeden główny cel - ma służyć zdalnemu analizowaniu próbek powietrza. Powracająca laserowa wiązka niesie bowiem ze sobą precyzyjne informacje na temat jego składu i zanieczyszczeń. Istnieją już techniki laserowego, zdalnego próbkowana składu powietrza (LIDAR - light detection and ranging), ale bazują one na mierzeniu światła rozproszonego. Potrafią one zmierzyć gęstość zanieczyszczeń, ale bez identyfikowania ich składu; jeśli udaje się zidentyfikować zanieczyszczenia, to jedynie te intensywne, a i to bez ich dokładnej lokalizacji. Tymczasem „powietrzny laser" z Princeton pozwala na wykrycie nawet bardzo małych zanieczyszczeń w dokładnie określonym miejscu. Po dopracowaniu będzie mógł identyfikować nawet ilości śladowe poszukiwanych substancji, określając zarazem dokładnie ich położenie. Badania finansuje rządowe biuro Office of Naval Research w ramach programu Sciences Addressing Asymmetric Explosive Threats. Gotowy „powietrzny laser" posłuży głównie do wykrywania obecności ładunków wybuchowych, które zawsze uwalniają śladowe ilości znaczących substancji. Gotowe urządzenie ma być wielkości umożliwiającej zamontowanie na przykład na czołgu i próbkowanie powietrza przed pojazdem, wykrywając ewentualne zakopane pod drogą bomby. Taki aparat uratowałby życie wielu żołnierzom na przykład w Afganistanie. Oczywiście zastosowań, zarówno wojskowych, policyjnych, jak i cywilnych takiego zdalnego, laserowego sensora znajdzie się o wiele więcej. Jednocześnie z głównym zespołem badawczym pracuje drugi, który zajmuje się połączeniem nowego rodzaju detekcji ze standardowym radarem.

Nie kończą się nowe pomysły i koncepcje na zastosowanie grafenu - pojedynczej warstwy atomów węgla - w nanotechnologii. Do listy jego wielu atrakcyjnych cech trzeba dodać jeszcze jedną: dobrze współpracuje z DNA. Stworzenie nowych bioczujników, pozwalających na szybkie i bezbłędne identyfikowanie przyczyn chorób, to zajęcie wielu naukowców i laboratoriów na świecie. Narodowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku, należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Princeton osiągnęły w tej dziedzinie wymierny sukces, łącząc grafen z ludzkim DNA. Podczas badań okazało się, że pojedyncza spirala DNA silnie i trwale łączy się z powłoką grafenową. To podsunęło myśl do sporządzenia czujnika, wykrywającego konkretne DNA w badanych próbkach. Pojedyncza spirala DNA z genu poszukiwanego czynnika chorobotwórczego jest umieszczana na powierzchni grafenu. Ponieważ naturalnym stanem cząstek DNA jest podwójna spirala, oddzielona nitka „poszukuje" odpowiadającej sobie pary. Zatem kiedy taki czujnik zanurzymy w krwi, lub innym płynie ustrojowym, umocowana na grafenie pojedyncza nić DNA będzie działać jak bardzo wybiórczy haczyk, łapiący swój odpowiednik. Jeśli poszukiwany czynnik „złapie przynętę" i przyczepi się do czujnika, ten generuje sygnał, który można zarejestrować. Sprawdzono, jaka jest czułość i wybiórczość projektowanego bioczujnika. Podczas prób z dołączanymi do wolno pływających nici DNA fluorescencyjnymi molekułami wykazano, że „łapanie" dokładnie poszukiwanych fragmentów jest dwukrotnie silniejsze niż łapanie fragmentów jedynie podobnych, które mogłyby fałszować wyniki. Zbadano też trwałość takiego czujnika - i tu dokonano kolejnego rewelacyjnego odkrycia. Okazało się, że grafen stanowi doskonałą ochronę nici DNA. Podczas prób z DNAzą - enzymem trawiącym DNA - okazało się, że podczas gdy wolno pływające nici są rozkładane natychmiast, nici DNA przytwierdzone do grafenowej powierzchni unikają zniszczenia przez 60 minut. Prostota działania i wykonania, oraz wysoka trwałość i skuteczność mogą sprawić, że rozpowszechnienie się tego typu czujników stanie się przełomem w diagnostyce medycznej. Nie koniec to jednak planów zespołu badawczego związanych z odkrytymi właściwościami grafenu. Skoro grafen tak dobrze współdziała z DNA, chcą poszukać sposobu na jej wykorzystanie do dostarczania leków bezpośrednio do chorych komórek, a może nawet wykorzystanie jej w terapii genowej.

W ciągu ostatnich miesięcy media wielokrotnie donosiły o pewnych dość egzotycznych materiałach, z których można wykonać płaskie soczewki, potężne mikroskopy, a nawet pozwolą stworzyć tkaniny, czyniące przykryte nimi osoby i przedmioty niewidzialnymi. Metamateriały, bo o nich mowa, trudno jednak wytworzyć i stosować. Uczeni z Princeton University ogłosili właśnie, że opracowali nową metodę produkcji, dzięki której metamateriały nie tylko będą powstawały łatwiej, ale i będą oferowały doskonalsze właściwości. Jedną z najważniejszych cech metamateriałów jest negatywny indeks refrakcji. Oznacza to, że zaginają światło, w przeciwnym kierunku do kierunku jego padania. Metamateriały mogą być użyte np. do zagięcia fali elektromagnetycznej (a taką falą jest też światło), wokół obiektu. Tym samym obiekt przykryty metamateriałem byłby niewidzialny. Dotychczas zademonstrowano materiały zdolne do zapewnienia niewidzialności, jednak są one bardzo trudne w produkcji. Ponadto metamateriały silnie absorbują światło, przez co nie można ich zastosować w optyce. Uczonym z Princeton University udało się opracować nową metodę produkcji metamatriałów. Polega ona na pokryciu materiału niezwykle cienką warstwą półprzewodnika. Co więcej, można to zrobić wykorzystując te same narzędzia, które są używane do produkcji laserów dla telekomunikacji. Nowy metamateriał korzysta z warstw arsenku galowo-indowego i glinowo-indowego. Został on przystosowany do pracy w podczerwieni. Każda z warstw półprzewodnika jest cieńsza niż długość fali światła, dla którego został on stworzony. Światło padając na nowy metamateriał, napotyka od razu wiele warstw i reaguje z nimi tak, jakby były jednym unikatowym materiałem. Metamateriały, jak już wspomniano, zaginają światło w nietypowy sposób. Jednak nowy metamateriał robi to jeszcze bardziej niezwykle. Gdy promień światła ulega zagięciu (czy to w zwykłym materiale czy w metamateriale), fala świetlna pozostaje równoległa do promienia. W nowym metamateriale zagięciu ulega jedynie promień, ale nie fala. Na komputerowej symulacji daje to wrażenie, jakby promień ześlizgiwał się po boku fali. Właściwość tę widać na dolnej części udostępnionej w Sieci fotografii. Dzięki takiemu sposobowi zaginania światła nowy metamateriał absorbuje go znacznie mniej, co czyni go potencjalnie przydatnym w optyce. Obecnie uczeni z Princeton pracują nad skonstruowaniem soczewek dla urządzeń wykorzystywanych w badaniach chemicznych. Informują, że jednym z pierwszych szerokich zastosowań nowego metamateriału będzie prawdopodobnie polepszenie właściwości noktowizorów.

Ludzie wykorzystują intuicję, by w ciągu dziesiątych części sekundy zdecydować, czy zaufać nieznajomemu. Badanie czasów reakcji ujawniło, że nie musi być wypowiedziane żadne słowo ani nie musi się poruszyć żaden mięsień, aby można było ocenić czyjś charakter. Wystarczy rzut oka na twarz przybysza i już wiadomo, czy da się go lubić, czy jest kompetentny lub godny zaufania. Podczas eksperymentu naukowcy pokazywali wolontariuszom zdjęcia twarzy nieznanych im ludzi. Okazało się, że badani wydawali o nowej osobie taką samą opinię, bez względu na to, jak długo mogli się przyglądać danej fizjonomii: przez 100 milisekund, 500 milisekund czy 1 sekundę. Prędkość podejmowania decyzji pokazała, że ludzki mózg jest przystosowany do wydawania natychmiastowych opinii o charakterze — uważa Alexander Todorov z Princeton University. Związki między cechami twarzy a charakterem mogą być nieistotne, ale to nie powstrzymuje naszego mózgu przed ocenianiem innych na tej podstawie. Bardzo szybko decydujemy, czy dana osoba posiada cechy, które uznajemy za istotne, takie jak określone umiejętności albo stopień, w jakim da się lubić, nawet jeśli nie zamieniamy z nią ani jednego słowa. Wydaje się, że ludzki mózg jest przystosowany do wydawania takich pobieżnych opinii w szybki, nierefleksyjny sposób. Wyniki studium, opublikowane w piśmie Psychological Science, stanowią podsumowanie zeszłorocznych badań, jak głosujący reagują na twarz polityka. Dr Todorov wyjaśnia, że studium objęło serię eksperymentów z udziałem 200 wolontariuszy.

Naukowcy z Princeton University poinformowali, że tworzenie żłobień na powierzchni układów scalonych – kluczowa czynność konieczna do wyprodukowania takich układów – może być wykonane niezwykle szybko i tanio. Nowa technologia jest tak prosta jak zrobienie kanapki. Dzięki pracom akademików regularne żłobienia, które dzieli od siebie zaledwie 60 nanometrów, tworzą się same. Technologia jest zadziwiająco prosta. Najpierw na sztywne podłoże, na przykład krzemowy plaster, nakłada się cienką warstwę polimeru, która z wierzchu zostaje przykryta kolejnym plastrem. Tak utworzona „kanapka” jest następnie zgrzewana. Polimer znajdujący się pomiędzy dwoma kawałkami krzemu zaczyna pękać tworząc regularny wzór. Odległości pomiędzy pęknięciami są czterokrotnie mniejsze niż grubość warstwy polimeru. Obecnie do wykonywania żłobień w formie kratownicy wykorzystuje się strumień elektronów, jonów lub też dokonuje się mechanicznych nacięć. Nacięcia wykonywane są jednak niezwykle powoli, dlatego też wykorzystuje się je na powierzchniach wielkości 1 milimetra kwadratowego lub mniejszych. Dzięki nowej technologii żłobienia tworzą się bardzo szybko. Uczeni z Princeton już wykorzystali ją na powierzchni kilku centymetrów kwadratowych, a w przyszłości będzie można tę powierzchnię zwiększyć. Akademicy złożyli już wniosek patentowy na swoją technologię, a w najbliższej przyszłości chcą zbadać, jakie siły powodują powstawanie tak niewielkich regularnych pęknięć.