Znajdź zawartość

Naukowcy z University of Illinois zaobserwowali w grafenie zjawisko termoelektryczne i odkryli, że w nanoskali materiał ten chłodzi się efektywniej niż krzem. Zespół pracujący pod kierunkiem profesora Williama Kinga wykorzystał końcówkę mikroskopu sił elektronowych w roli czujnika temperatury. Uczeni dowiedzieli się, że w miejscu, w którym grafenowy tranzystor dotyka metalowych połączeń, chłodzący efekt termoelektryczny jest silniejszy niż ogrzewanie się materiału wywołane oporami w przepływie prądu. Oznacza to, że w tym miejscu tranzystor samodzielnie się schładza. Zjawisko termoelektryczne zachodzi wskutek bezpośredniej transformacji napięcia elektrycznego pomiędzy dwoma punktami na różnicę temperatur. W krzemie i większości materiałów nagrzewanie się spowodowane przepływem prądu jest znacznie większe niż samodzielne chłodzenie. Odkryliśmy jednak, że w tych tranzystorach grafenowych istnieją miejsca, w których chłodzenie jest większe niż nagrzewanie, co pozwala urządzeniom na samodzielne schłodzenie się. Dotychczas nie obserwowano tego zjawiska w grafenie - mówi King. Dzięki nowo odkrytej kolejnej przydatnej właściwości grafenu, elektronika grafenowa, o ile powstanie, będzie wymagała niewiele wspomaganego chłodzenia, a niewykluczone, że obejdzie się bez niego.

O metamateriałach pisaliśmy już wielokrotnie, również w kontekście skonstruowania dzięki nim technologicznej peleryny niewidki. To, co dla światła pozostaje w sferze odległych planów, w dziedzinie dźwięku właśnie osiągnięto, tworząc materiał zapewniający niewidzialność dla sonarów. Sonar to nic innego, jak dźwiękowy radar, korzystający najczęściej z ultradźwięków - woda morska tłumi fale radiowe, zaś dźwięk przenosi się w niej szybko i na duże odległości (dzięki temu, że woda jest bardziej gęsta od powietrza). Wykładowca mechaniki i inżynierii na University of Illinois, Nicholas Fang, skonstruował w swoim laboratorium metamateriał wytłumiający dźwięki w zakresie stosowanym przez sonary. Urządzenie ma postać dysku składającego się z wielu pierścieni o malejącej średnicy. Każdy pierścień to misterna struktura wgłębień „prowadzących" falę dźwiękową, każdy ma inny współczynnik refrakcji. Wgłębienia powodują zmianę prędkości fali akustycznej i spadek jej energii, a całość powoduje uwięzienie dźwięku, wygięcie fali i „owinięcie" jej wokół zewnętrznych krawędzi dysku, niwelując niemal całkowicie odbicie dźwięku. Specyfiką konstrukcji jest to, że działa nie tylko dla ściśle określonej długości fali - jak to jest z metamateriałami dla fal elektromagnetycznych - lecz jest skuteczne dla dość szerokiego przedziału częstotliwości, do 40 do 80 kiloherców, przy czym teoretycznie można uzyskać pokrycie przedziału częstotliwości aż do dziesiątek megaherców. Podwodne testy z sonarem wykazały skuteczność takiego urządzenia maskującego i rozpoczynają się prace nad zastosowaniami praktycznymi. Pierwszym, jakie się narzuca, jest oczywiście zastosowanie militarne celem stworzenia niewykrywalnych okrętów podwodnych. Są jednak i inne: na przykład doskonała izolacja akustyczna, czy polepszenie osiągów ultrasonografii medycznej. Autorzy są też przekonani, że dzięki wynalazkowi będzie można uporać się ze zjawiskiem kawitacji, czyli tworzenia się wirów i hałaśliwych pęcherzyków wokół śrub napędowych statków i okrętów podwodnych.

Malaria, pasożytnicza choroba przenoszona przez moskity, wciąż jest niepowstrzymana, mimo wielu badań. Naukowcy z uniwersytetu w Chicago proponują nowy sposób, który ma zablokować przenoszenie się zarodźca malarii. Samice moskitów potrzebują dużych ilości krwi (a dokładniej: hemoglobiny) jako pożywienia koniecznego dla rozwoju jaj. Podczas jej pobierania roznoszą zakażenie poprzez zarodźce (Plasmodium), które wykluwają się w ich wnętrznościach. W tym złożonym, bo wymagającym dwóch różnych żywicieli, cyklu rozwojowym ważną rolę spełnia proteina FLVCR, transportująca pochodzący z hemoglobiny hem poza komórkę. Proteina ta jednocześnie chroni moskita przed stresem oksydacyjnym. John Quigley z University of Illinois w Chicago postawił hipotezę, że zakłócenie działania białka FLVCR nie pozwoli na dokończeniu cyklu rozwojowego Plasmodium i zablokuje przenoszenie się choroby. Podczas eksperymentu wyizolowano gen kodujący FLVCR od dwóch gatunków moskitów znanych z roznoszenia malarii i korzystając z techniki wyciszania genów, z powodzeniem zmniejszono wydatnie ilość produkowanego białka we wnętrznościach moskitów. Przed zespołem dra Quigley stoi jeszcze zbadanie czy i w jakim stopniu zablokowanie proteiny i zwiększenie stresu oksydacyjnego hamuje przenoszenie pasożyta. Jeśli zakłócenie funkcjonowania proteiny zahamuje przenoszenie się pasożyta Plasmodium, pojawi się potencjalna możliwość wykorzystania elementów proteiny FLVCR do stworzenia przeciwciał i wyprodukowania szczepionki dla ludzi - tłumaczy autor rozwiązania. - Wówczas przeciwciała zablokują FLVCR i zwiększą stres oksydacyjny, wskutek zarodźce malarii nie będą potrafiły doprowadzić do końca swojego cyklu życiowego, co zapobiegnie rozprzestrzenianiu się malarii. Na malarię co roku umiera nawet do trzech milionów ludzi, głównie dzieci (choruje co roku ponad 220 milionów), więc problem zwalczenia tej choroby jest dość palący. Niestety, fakt że choroba dotyka głównie niezamożne kraje i ludzi, nie sprzyja inwestowaniu dużych środków finansowych w badania przez firmy farmaceutyczne.

Bycie członkiem nie zawsze tolerowanej mniejszości, zwłaszcza seksualnej, może być psychicznym obciążeniem. Według badań, aż jedna trzecia z zaliczanej do takich mniejszości młodzieży próbowała w życiu popełnić samobójstwo. Badania przeprowadzone przez University of Illinois w Chicago wśród młodzieży (16-20 lat) zaliczanej do mniejszości seksualnych (LGBT - lesbian, gay, bisexual and transgender czyli lesbijki, geje, biseksualiści i transseksualiści). Badaną grupę stanowiło prawie 250 osób, zróżnicowanych pod względem etnicznym. Badanie miało na celu weryfikację wcześniejszych ustaleń i diagnozę zdrowia psychicznego osób z tych grup społecznych. Jedna trzecia badanych osób wykazywała oznaki zaburzeń psychicznych (wliczano tu również niewielkie zaburzenia), w tym prawie 10 procent badanych cierpiało na zespół stresu pourazowego (lęki wskutek wyjątkowo traumatycznego wydarzenia), 15 procent miało oznaki poważnej depresji. Około 70 procent nie wykazywało żadnych zaburzeń i problemów psychicznych. Również około jednej trzeciej badanych osób przynajmniej raz w życiu próbowało popełnić samobójstwo, 6 procent podjęło taką próbę w ciągu ostatniego roku. Czy jedna trzecia to dużo? Może wydawać się, że tak. W porównaniu z próbami populacji narodowej jest to rzeczywiście więcej, ale, jak wskazuje doktor Brian Mustanski, dyrektor programu badawczego Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, jeśli porównamy wyniki z innymi grupami młodzieży zaliczającej się do mniejszości (etnicznych, kulturowych/subkulturowych) wyniki nie odbiegają od normy. Oznacza to, zdaniem autorów studium, że młodzież LGBT dobrze radzi sobie ze swoją odmiennością i w większości nie cierpi na żadne zaburzenia psychiczne. Porównywano także wyniki wewnątrz badanej próby. W przeciwieństwie do poprzednich badań, sugerujących większy odsetek problemów psychicznych u osób biseksualnych, to studium dało wynik odwrotny: osoby biseksualne były mniej skłonne do zaburzeń psychicznych czy emocjonalnych, niż pozostałe mniejszości seksualne. Studium ukazało się w grudniowej edycji miesięcznika American Journal of Public Health.

Terroryści zawsze byli o krok przed służbami policyjnymi, a dziś, kiedy zagrożenie terroryzmem wzrasta, technologia pozwala im być nawet o dwa kroki do przodu. Olbrzymie kłopoty sprawia wykrywanie ładunków wybuchowych - dziś nikt nie używa tradycyjnych materiałów, a rozwój chemii pozwala stosunkowo łatwo sporządzić silne i trudno wykrywalne materiały wybuchowe z substancji powszechnie dostępnych w sklepach chemicznych. Jednym z takich materiałów jest nadtlenek acetonu (najczęściej używaną postacią jest triacetonetriperoxide, TATP), uzyskiwany w prostej reakcji utleniania acetonu nadtlenkiem wodoru. Związek ten jest trudny do wykrycia większością tradycyjnych, chemicznych metod: nie paruje intensywnie, nie ulega jonizacji, nie absorbuje ultrafioletu, nie fluoryzuje. Urządzenia do jego wykrywania są wielkie i nieporęczne nawet jako detektory stacjonarne, ponadto są wrażliwe na zmiany wilgotności, ślady innych środków chemicznych (jak detergenty), itd. To czyli TATP niemal idealnym środkiem do sporządzenia przysłowiowej bomby w bucie. Tak przynajmniej było do tej pory, bowiem bardzo skuteczne i efektywne urządzenie do wykrywania nadtlenku acetonu skonstruowali Kenneth Suslick oraz Hengwei Lin z University of Illinois w Urbana-Champaign. Ich kolorymetryczna matryca pozwoli wykryć TATP już w stężeniu dwóch cząsteczek na miliard. Składa się ona z 16 kropek różnokolorowych pigmentów naniesionych na obojętną, plastikową błonę. Specjalny, kwasowy katalizator rozkłada cząsteczki TATP na łatwo wykrywalne substancje, powodujące zmianę koloru pigmentów, od razu stosownie do stężenia. Do analizy zmian pigmentów wystarcza zwykły stołowy skaner lub kamera cyfrowa oraz odpowiednie oprogramowanie. Technologia nie tylko pozbawiona jest wad dotychczasowych rozwiązań, ale jest również bardzo tanie, a matryca z pigmentami posiada długi termin ważności, a urządzenie łatwo zaprojektować w wersji przenośnej, pozwalającej szybko skontrolować np. bagaż podręczny, czy wnętrze samolotu. Inżynierowie z University of Illinois skonstruowali zresztą pierwszy, przenośny egzemplarz, korzystając z elementów dostępnych w sklepie.

Bakterie potrafią sprawnie pływać w cieczach, posługując się wicią jak śrubą napędową. Na powierzchni pełzają, potrafią się też szybko poruszać, czepiając się pilami podłoża i przeciągając. Ale chodzenie wydawało się od zawsze zarezerwowane dla organizmów stojących znacznie wyżej w rozwoju. A bakterie mogły chodzić tylko w dowcipach. Ale świat właśnie stanął na głowie, a wszystko to dzięki naukowcom z University of Illinois w Urbana-Champaign, którzy odkryli, że niektóre bakterie potrafią chodzić. Dosłownie chodzić i to całkiem sprawnie. Badania pokazały, że jest to całkiem typowa forma poruszania się. Po podziale bakterii na dwie nowe, prawie 70% nowych komórek wstawało „wyprowadzało się" od swojego bliźniaka. Jak sądzą naukowcy, najprawdopodobniej również w ten sposób bakterie podążają w kierunku przyciągających je substancji, lub uciekają od niebezpieczeństwa. Umiejętność stawania na pilach i chodzenia oznacza, że bakterie mogą poruszać się nie tylko po płaskim, ale również w trzech wymiarach. To znacząco zwiększa ich zasięg i szybkość, z jaką penetrują i zajmują teren. Zespół Wonga zajmuje się badaniem, w jaki sposób bakterie tworzą biofilmy (błony, bakteryjne kolonie) odporne na działanie szkodzących im substancji, w tym środków dezynfekcyjnych i antybiotyków. Umiejętność poruszania się na pilach może mieć z tym związek, a uniemożliwienie im takiego sposobu poruszania się mogłoby utrudnić powstawania biofilmów. Od teraz dowcipy o chodzących bakteriach stały się śmieszne inaczej. Studium, które wielu naukowców określa jako przełomowe, ukazało się 8 października w czasopiśmie Nature.

Do najczęstszych i najcięższych zaburzeń rozwojowych u dzieci zalicza się ADHD (ang. Attention Deficit Hyperactivity Disorder, zespół nadpobudliwości psychoruchowej) oraz cyklofrenię (zaburzenie afektywne dwubiegunowe). Oba te schorzenia mają podobne objawy, jak drażliwość, impulsywność i niedostatek uwagi. Potrafimy w pewnym stopniu pomóc osobom cierpiącym na te dolegliwości, natomiast nie znamy ich mechanizmu działania i nie potrafimy ich leczyć. Naukowcy z University of Illinois w Chicago przeprowadzili obrazowanie pracy mózgu u osób z tymi zaburzeniami. Wykorzystano do tego rezonans magnetyczny podczas rozwiązywania testu na funkcjonowanie pamięci roboczej. W eksperymencie wzięło udział 23 dzieci (w wieku od 10 do 18 lat) z nieleczoną cyklofrenią, 14 dzieci z nieleczonym ADHD oraz dziewiętnaścioro zdrowych dzieci jako grupa kontrolna. Wszyscy rozwiązywali zadanie polegające na wyłowieniu spośród pokazywanych twarzy tych, które pojawiły się we wcześniejszych seriach. Nowością w teście było to, że twarze wyrażały różne, silne emocje, co pozwoliło jednocześnie badać wpływ emocji na działanie pamięci roboczej, uznano to za szczególnie ważne, ponieważ, jak tłumaczy prowadząca badania, Alessandra Passarotti, podczas obu tych zaburzeń występują deficyty emocjonalne. Poprzez porównanie z grupą kontrolną o dzieci cierpiących na oba te zaburzenia stwierdzono nieprawidłowe funkcjonowanie kory przedczołowej - obszaru mózgu, który odpowiada za kontrolę zachowania, funkcje wykonawcze, złożone funkcje poznawcze, pamięć roboczą, uwagę i posługiwanie się językiem. Dysfunkcje obszaru zawiadującego pamięcią roboczą były jednak wyraźnie większe u cierpiących na ADHD, u cyklofreników stwierdzono natomiast dodatkowo braki w obszarach mózgu odpowiedzialnych za przetwarzanie emocji i samokontrolę. To początek badań mających na celu rozpoznanie i zróżnicowanie tych zaburzeń na poziomie pracy mózgu - dotychczas diagnozowano je na podstawie zachowania, obserwacji, ankiet i testów psychologicznych. Celem jest opracowanie jednoznacznych znaczników, pozwalających identyfikować te schorzenia. Późniejszym etapem będzie poszukiwanie metod leczenia i terapii, pozwalających osobom z tymi zaburzeniami na prawidłowe wykorzystywanie i kontrolowanie ich kory przedczołowej.

Na University of Illinois skonstruowano igłę, dzięki której można wstrzyknąć kwantową kropkę do wnętrza jądra komórki. To pozwala na obserwowanie procesów tam zachodzących. Z kolei zrozumienie tych procesów umożliwi szybszy postęp genetyki. Dotychczas do badania tego, co dzieje się w jądrach komórek wykorzystywano proteiny i barwniki. Jednak są one duże i wrażliwe na światło, co bardzo utrudnia ich użycie w połączeniu z mikroskopem. Kropki kwantowe mają tę przewagę, że są bardzo małe, można im nadać fluoroscencyjne barwy czyniąc je łatwymi do śledzenia i są stabilne w świetle. Wiele osób korzysta z kwantowych kropek monitorując procesy biologiczne i uzyskując informacje na temat środowiska komórek. Jednak umieszczenie kwantowych kropek w komórce i wykorzystanie ich w zaawansowanych badaniach to poważny problem - mówi profesor Min-Feng Yu z University of Illinois. Yu oraz jego koledzy - Ning Wang i Kyungsuk Yum - stworzyli nanoigłę działającą jak elektroda, która pozwala na dostarczenie kwantowych kropek w precyzyjnie wyznaczone miejsce jądra komórki. Później można je śledzić za pomocą standardowego mikroskopu fluorescencyjnego. Technika ta daje nam fizyczny dostęp do środowiska wewnątrz komórki. To prawie tak jakbyśmy mieli narzędzia chirurgiczne pozwalające nam tam operować - mówi Yu. Nanoigła to pojedyncza tuba o szerokości 50 nanometrów pokryta cienką warstwą złota. Napełnia się ją kropkami kwantowymi, które są uwalniane do komórki po przyłożeniu niewielkiego napięcia. To pozwala na uzyskanie niezwykle precyzyjnej kontroli. Możemy umieścić nanoigłę w konkretnej lokalizacji i poczekać, aż rozpocznie się konkretny proces biologiczny, który chcemy badać, i wówczas uwalniamy kropki kwantowe. Dotychczasowe techniki nie pozwalały na taką kontrolę - dodaje Yu. Uczeni chcą w przyszłości przystosować swoją igłę do pracy z różnymi typami molekuł tak, by można było za jej pomocą dostarczać np. fragmenty DNA, proteiny czy enzymy. To narzędzie typu wszystko w jednym - mówi Wang. W komórkach zachodzą trzy podstawowe typy procesów: chemiczne, elektryczne i mechaniczne. Igła ma wszystkie trzy właściwości. Jest mechanicznym próbnikiem, elektrodą i systemem dostarczania związków chemicznych - dodaje.

Powszechny stereotyp przeciwstawia osoby aktywne fizycznie ludziom aktywnym intelektualnie. Jak się okazuje - niesłusznie. Uprawianie sportów nie tylko nie przeszkadza w rozwoju umysłowym, ale wręcz pomaga, jak wynika z badań psychologów. Badania nad związkiem sprawności fizycznej i umysłowej na University of Illinois prowadzą profesor psychologii Art Kramer, jego doktorantka Laura Chaddock oraz profesor Charles Hillman, kinezjolog. Przeprowadzili oni testy na kilkudziesięciorgu dzieci w wieku 9 i 10 lat. Wszystkim oznaczono sprawność fizyczną organizmu poprzez pomiar efektywności wykorzystania tlenu podczas ćwiczeń na kieracie. Wszystkim dzieciom badano strukturę mózgu przy pomocy obrazowania rezonansem magnetycznym, poddano je też testom na pamięć relacyjną (związaną z łączeniem nowych informacji w całość). Okazało się, że im większa sprawność fizyczna organizmu dziecka, tym lepsza pamięć oraz bardziej rozwinięty hipokamp - część mózgu odpowiedzialna za pamięć. Różnica w wielkości hipokampa między dziećmi wysportowanymi a nieaktywnymi fizycznie wynosiła aż do 12%. Wyniki te pokrywają się z rezultatami badań osób dorosłych oraz zwierząt, które wykazywały związek ćwiczeń fizycznych z rozwojem hipokampu i wykształcaniem się nowych neuronów; lepiej rozwinięty hipokamp zaś to lepsza pamięć oraz funkcje poznawcze w mózgu. Oznacza to, zdaniem uczonych, że można w dość dużym stopniu wpływać na rozwój intelektualny człowieka. Predyspozycje genetyczne są „nie do przeskoczenia", trudno też zniwelować wpływ statusu społecznego i ekonomicznego; ćwiczenia fizyczne zaś wydają się łatwym do wprowadzenia i efektywnym sposobem na wyrównywanie poziomu umysłowego dzieci i młodzieży.

Baterie słoneczne są znane od bardzo dawna. Mimo, że dają one energię elektryczną „za darmo" na drodze do ich upowszechnienia stoi cena produkcji - świadomość, że pieniądze zainwestowane w zasilanie energią słońca zwrócą się nie wiadomo kiedy, nie zachęca kupujących. Nawet nacisk na ekologię i zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych niewiele w tej materii zmienił. Od dawna szukano lepszych rozwiązań, przede wszystkim tańszych, licząc, że nawet niższa wydajność za znacznie obniżoną cenę zwiększy dostępność tej technologii. Z drugiej strony poszukuje się sposobów na zwiększenie wydajności. Te dwa dążenia pogodzi technologia wdrażana właśnie w firmie Semprius. Wydajność typowych komercyjnych ogniw, opartych na krystalicznym krzemie wynosi 14-19%, na tańszym krzemie amorficznym zaledwie 8%. Zwiększyć można ją w zasadzie bardzo łatwo, zamiast krzemu stosując arsenek galu lub arsenek selenu, teoretycznie nawet do około 40%. Niestety, dwukrotny przyrost wydajności kosztuje aż sto razy więcej - taka jest różnica w cenie technologii krzemowej i arsenkowej, czyniąc tę drugą całkowicie nieopłacalną w komercyjnych zastosowaniach. Na arsenek galu z nadzieją spoglądają nie tylko technolodzy od ogniw fotowoltaicznych, ale także elektroniki półprzewodnikowej. Zastąpienie krzemu arsenkiem galu pozwoliłoby na budowę znacznie szybszych układów scalonych, nad technologiami pracuje na przykład Intel. Cały czas przeszkodę stanowi jednak cena, która jest pochodną skomplikowanego procesu produkcji. Żeby wyprodukować panel słoneczny z arsenku galu, trzeba wyhodować odpowiednio czyste kryształy tego półprzewodnika. Odbywa się to w warunkach wysokiej próżni, w wysokiej temperaturze, gdzie w odpowiedniej komorze kontrolującej warunki kryształ rośnie na specjalnym podłożu. Bardzo drogim podłożu. Później jest cięty na na kawałki, składany i mocowany. Podczas cięcia niestety zniszczeniu ulega kosztowne podłoże, a otrzymujemy tylko jedną warstwę kryształu, czyste marnotrawstwo. Dodatkowy koszt to czas procesu: przygotowanie, a potem opróżnienie komory trwa dłużej, niż sam proces hodowania półprzewodnika. Ale nie ma problemu nie do rozwiązania Sposób na ominięcie tych trudności opracował profesor John Rogers, wykładowca materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign. Znalazł on sposób na jednoczesne wytwarzanie wielu cienkich warstw krystalicznego arsenku galu bez żadnej utraty jakości. W opracowanej przez niego technologii szereg warstw rośnie jednocześnie, warstwy pożądanego przez nas półprzewodnika przedzielone są bowiem rosnącymi jednocześnie warstewkami arsenku glinu. Taki produkt jest następnie kąpany w roztworze chemicznym, który rozpuszcza niepotrzebny arsenek glinu. W wyniku otrzymujemy błony krystalicznego arsenku galu, gotowe do wykorzystania. Jak łatwo się domyślić, każda dodatkowa warstwa wytwarzana jednocześnie to mniejszy koszt. Hodując ich po dziesięć otrzymujemy już dziesięciokrotny spadek kosztów podłoża i taką samą oszczędność czasu. Ponieważ technologia jest w pełni skalowalna, realne jest jednoczesne wytwarzanie stu, czy więcej błon. Dodatkowy zysk to oszczędność materiału, niebagatelny, zważywszy na koszt arsenku galu. Technologia wdrażana w firmie Semprius w Durham, w Północnej Karolinie, ma też inne zalety. Otrzymane błony można łatwo umieszczać na dowolnych podkładach, również giętkich, otrzymując ogniwa elastyczne. Prof. Rogers opracował kilka lat temu analogiczną technologię do wytwarzania wielkoformatowych błon z krystalicznego krzemu, obecnie zaadoptował ją właśnie do arsenku galu. Zapewnia, że metoda nadaje się do każdego krystalicznego półprzewodnika, jest to tylko kwestia znalezienia odpowiedniego materiału oddzielającego, który można bezpiecznie rozpuścić. W planach ma znalezienie właściwej formuły chemicznej dla azotku galu, który pracuje dobrze w widzialnym spektrum światła. W przeciwieństwie do wielu dotąd wymyślonych sposobów na lepsze ogniwa słoneczne, które zakończyły żywot na etapie prototypu, ta technologia ma szansę naprawdę wywołać małą rewolucję - firma Semprius zapowiada dostarczenie na rynek pierwszych komercyjnych egzemplarzy jeszcze przed końcem roku.

Nieczęsto zdarza się konieczność weryfikacji podstawowych praw fizyki. Większość podstawowych zasad działania układów elektrycznych ma już około dwustu lat i wydają się niewzruszone. A jednak: naukowcy z Uniwersytetu w Illinois wprawdzie nie obalili żadnego z nich, ale jedno musieli napisać na nowo: prawo Kirchhoffa. Prawo Kirchhoffa, sformułowane w 1845 roku, opisuje przepływ prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Mówi ono, że ładunek na wejściach (suma natężeń prądów) musi być równy ładunkowi na wyjściach układu. Inaczej mówiąc, cała energia dostarczona przez prąd elektryczny musi opuścić układ. Prawo to stosowało się na przykład do tranzystorów, czy układów scalonych. Aż do tej pory zawsze wszystko się zgadzało. Do czasu, kiedy inżynierowie Uniwersytetu w Illinois rozpoczęli badania z wykorzystaniem lasera tranzystorowego, stanowiący główny jego element tranzystor trójportowy oprócz wyjścia elektrycznego posiada jeszcze jedno: emitujące fotony. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest dokładne badanie zachowania fotonów, elektronów, półprzewodników. Zdobyta wiedza pozwoli na projektowanie lepszych, szybszych układów elektronicznych, szybszego przetwarzania sygnałów cyfrowych, komunikacji optycznej, komputerów i innych. Wyniki eksperymentów z trójportowym tranzystorem nie zgadzały się z teoretycznymi wyliczeniami wynikającym z prawa Kirchhoffa. Wywołało to zrozumiale zmieszanie naukowców. Czy opracowany układ łamie uznane prawo fizyki? W jaki sposób prawo decyduje o parametrach wyjściowego sygnału? Dla dotychczasowych tranzystorów wszystko grało, dlaczego prawo zachowania ładunku i zachowania energii nie chce się stosować, kiedy wyjściowa energia jest emitowana w dwóch różnych postaciach? Sygnał optyczny jest ściśle związany z sygnałem elektrycznym, ale nie stosowano dotychczas niczego takiego w tranzystorze - mówią autorzy odkrycia. - Prawo Kirchhoffa obejmuje zachowanie ładunku elektrycznego, ale nie obejmuje równowagi między różnymi postaciami energii. Pytanie: jak to połączyć w całość i jak przełożyć na język układów optyczno-elektrycznych? Dotychczasowe prawo tyczyło się cząstek: elektronów, które wchodzą i wychodzą z układu - kontynuują. - Ale nie dotyczy zachowania energii tak, jak do tej pory to rozumieliśmy i jak to stosowaliśmy. Po raz pierwszy możemy obserwować, jak energia zachowuje się w procesie jej zachowania. Unikatowe właściwości lasera tranzystorowego pozwoliły - i zmusiły naukowców do przeformułowania dotychczasowego prawa w taki sposób, aby brało pod uwagę zarówno zachowanie elektronów, jak i fotonów. Dotychczasowe prawo napięcia zostało zastąpione prawem napięcia i energii. Na podstawie przeformułowanego prawa stworzono matematyczny model działania mikrofalowego lasera tranzystorowego, który w dotychczasowych symulacjach wykazał swoją poprawność. Pozwoli to na bardzo dokładne przewidywanie właściwości elektrycznych i optycznych układów, zależnych od częstotliwości. Odkrycia dokonali Milton Feng i Nick Holonyak Jr., pracownicy Wydziału Inżynierii i Fizyki Elektrycznej i Komputerowej (Electrical and Computer Engineering and Physics) na Uniwersytecie Illinois.

Kierowcy rozmawiający przez telefon komórkowy w czasie jazdy, stanowią zagrożenie dla innych. Najnowsze badania dowodzą, że piesi korzystający z telefonu na ulicy, stanowią zagrożenie dla samych siebie. Podczas dwóch badań przeprowadzonych przez zespół profesora psychologii Arta Kramera okazało się, że osoby przechodzące przez ulicę i rozmawiające przez telefon są bardziej narażone na niebezpieczeństwo, niż osoby słuchające muzyki czy też takie, których nic nie rozprasza. Pierwsze badania, omówione w piśmie Accident Analysis and Prevention, pokazały, że młodzi ludzie, którzy rozmawiają przez komórkę przechodzą przez ulicę o 25% wolniej niż ich rówieśnicy, którzy nie rozmawiają. Ponadto, gdy na przekroczenie wirtualnej ulicy mieli 30 sekund, było bardziej prawdopodobne, że sztuka ta im się nie uda jeśli rozmawiają przez komórkę. Wszyscy uczestnicy badań chodzili w kołowrotku, a więc mieli do czynienia z dokładnie takimi samymi warunkami. Drugie badania przeprowadzono na grupie osób, które ukończyło 60. rok życia. W ich przypadku różnice pomiędzy rozmawiającymi przez telefon, a nierozmawiającymi były jeszcze większe. W przypadku osób starszych rozmawiających podczas przechodzenia przez ulicę niebezpieczeństwo przejechania przez samochód było aż o 15% większe, niż w przypadku tych, którzy nie rozmawiali. Specjaliści ostrzegają zatem, że rozmowa przez telefon zwiększa ryzyko podczas przekraczania ulicy, a niebezpieczeństwo to jest szczególnie duże w przypadku osób starszych.

Ogniwa słoneczne są tym bardziej wydajne, im dłużej wystawimy je na działanie Słońca. To jednak zmienia w ciągu dnia swoją pozycję. Konieczne jest zatem stosowanie silników pozycjonujących panele słoneczne bądź układów optycznych, zapewniający ciągły dopływ światła. Na University of Illinois powstały ogniwa o sferycznych kształtach, dzięki którym można będzie zrezygnować z silników i optyki, a promienie słoneczne zawsze do nich dotrą. Jeśli testy wykażą ich przydatność, mogą one zastąpić tradycyjne płaskie ogniwa, a jednocześnie ich produkcja nie będzie droga, gdyż małe sferyczne ogniwa łączone w duże macierze wymagają użycia mniejszej ilości materiału. Dotychczas nie produkowano ogniw o powierzchniach sferycznych, gdyż współczesne techniki litograficzne najlepiej sprawdzają się na płaskich powierzchniach. Zespół z Univesity of Illinois poradził sobie z tym problemem dzięki technice samodzielnego dostosowywania kształtu z płaskich powierzchni. Naukowcy zaczęli od litograficznej obróbki cienkiej płaskiej warstwy krzemu. Następnie wycięli z niego formę o kształcie kwiatu. Na środku przykleili kawałek szkła, który pomagał zachować nadaną formę. W środek "kwiatu" wpuścili kroplę wody. Gdy ta parowała, napięcie powierzchniowe spowodowało, że "płatki" krzemu się uniosły, tworząc sferę. Jak mówi profesor Ralph Nuzzo, szef zespołu badawczego, największą trudnością jest opracowanie kolejnych etapów produkcji tak, by uzyskać wymagany kształt. Uczeni stworzyli więc liczne modele matematyczne opisujące, co należy zrobić, by krzem przybierał różne kształty, jak reaguje on na obecność wody i w jaki sposób należy wodę wzbogacić środkami chemicznymi, by w pożądany sposób oddziaływała na krzem. Zespół Nuzzo otrzymał w opisany powyżej sposób cały zestaw mikroskopijnych sferycznych ogniw słonecznych. Pierwsze testy wykazały, że ich wydajność wynosi zaledwie 1%. To niewiele jak na ogniwa, jednak, co warto podkreślić, to lepszy wynik niż można uzyskać z płaskich ogniw wyprodukowanych przy użyciu takiej samej technologii i tej samej ilości materiału. To z kolei oznacza, że po ulepszeniu nowa technika może okazać się lepsza od obecnie stosowanych. Jednak jej zalety nie ograniczają się do krzemu. Za jej pomocą można zginać też inne materiały. Zginanie jest bardzo interesujące, gdyż pozwala uzyskać fantastyczne trójwymiarowe kształty - stwierdził profesor George Barbastathis z MIT-u.

Amerykańscy naukowcy z University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) zaprezentowali pierwszy elastyczny krzemowy układ elektroniczny. Zespół pod kierunkiem Johna Rogersa zaprezentował układ wykonany z krzemu i tworzywa sztucznego, którego grubość wynosi zaledwie 1,5 mikrona. Układ jest na tyle elastyczny, że można go nawet owinąć wokół sfery. Przekonanie, że krzem nie nadaje się do takich zastosowań, ponieważ jest zbyt sztywny i kruchy, zostało właśnie wyrzucone przez okno - mówi profesor John Rogers, szef zespołu badawczego. Opracowane przez niego układy będzie można wykorzystywać zarówno w medycynie, jak i owijać nimi np. kadłuby samolotów, dzięki czemu będą monitorowały stan poszycia. Żeby wyprodukować układ, najpierw na sztywne podłoże nałożono warstwę polimeru. na niej umieszczono bardzo cienką warstwę tworzywa sztucznego. Kolejnym krokiem było wykorzystanie konwencjonalnych metod produkcji elektroniki (w tym metod łączenia nanowstążek pojedynczych kryształów krzemu za pomocą nadruków). W ten sposób na polimerze powstała warstwa plastiku i krzemu, która była 50-krotnie mniejsza od średnicy ludzkiego włosa. Następnie polimer usunięto, a plastik wraz z krzemem umieszczono na elastycznym podłożu ze wstępnie rozciągniętej "krzemowej gumy". Po przymocowaniu wspomnianej warstwy naciąg został zwolniony. To spowodowało, że na warstwę zaczęły działać duże siły, dzięki którym warstwa została pofalowana, co umożliwia jej wyginanie w różnych kierunkach. Naukowcy z UIUC stworzyli już układy scalone składające się z tranzystorów, oscylatorów, bramek logicznych i wzmacniaczy. Ich właściwości elektroniczne są podobne do właściwości układów tworzonych na sztywnym podłożu krzemowym. Co więcej, układ pracuje bez zakłóceń, gdy działają nań siły powodujące jego rozciąganie, ściskanie czy wyginanie.

Akademicy z University of Illinois w Urbana Champaign (UIUC) opracowali polimer, który potrafi sam reperować swoje uszkodzenia. To ważny krok na drodze do opracowania materiałów, z których będzie można produkować samonaprawiające się implanty medyczne, samoloty czy pojazdy kosmiczne. Podobny materiał uczeni z UIUC stworzyli już przed sześciu laty i od tamtej pory różne zespoły naukowe informowały o powstaniu tego typu wynalazków, jednak wszystkie one dokonywały samonaprawy pod wpływem ciepła lub ciśnienia. Obecny wynalazek jest pierwszym materiałem, który potrafi się zreperować bez żadnej zewnętrznej interwencji. To jakby nadać plastikowi właściwości żywego organizmu – mówi Chris Bielawski, profesor chemii z University of Texas. Nancy Sottos i jej zespół tworzyli nowy materiał wzorując się na ludzkiej skórze. Gdy jej zewnętrzna warstwa ulega uszkodzeniu, warstwa wewnętrzna, bogata w naczynia krwionośne, dostarcza do rany składniki odżywcze, które pomagają w gojeniu się. Samouzdrawiający się polimer składa się z zewnętrznej warstwy z żywicy epoksydowej i wewnętrznej, która wyposażona jest w sieć mikrokanalików. Warstwa zewnętrzna zawiera niewielkie cząstki katalizatora, a wewnątrz kanalików warstwy wewnętrznej znajduje się płynna substancja łatająca uszkodzenia. Podczas testów naukowcy zgięli swój materiał tak, że warstwa zewnętrzna pękła. Szczelina sięgała do mikrokanalików. Spowodowało to wypłynięcie substancji z kanalików. W ciągu 10 godzin pod wpływem katalizatora zmieniła się ona w żywicę epoksydową łatając pęknięcie. Co ważne, materiał nie wymaga żadnego zewnętrznego sprężania, które wypychałoby substancję z kanalików. Samoistnie przesuwa się ona w górę, podobnie jak woda w wąskim naczyniu. Akademikom udało się siedmiokrotnie doprowadzić do samonaprawy materiału. Później katalizator przestał działać. Zdolności materiału do samonaprawy można poprawić, podłączając zewnętrzny zbiornik z płynem, który uzupełniałby niedobory w mikrokanalikach.

Akademicy z University of Illinois wyprodukowali mikromanipulator, który w przyszłości pomoże w budowie nanorobotów. Doszli bowiem do wniosku, że skonstruowanie takich maszyn będzie wymagało użycia narzędzi zdolnych do przemieszczania i łączenia mikroskopijnych części takich robotów. Sądzimy, że [mikromanipulator – red.] będzie potrzebny w mikrofabrykach przyszłości – mówi Laxman Saggere, profesor inżynierii mechanicznej i przemysłowej. Mikromanipulator ma rozmiary niewielkiego układu scalonego. Wyposażono go w cztery palce, które, reagując na polecenie, chwytają i przenoszą przedmioty wielkości mikrometrów (tysięczna część milimetra). Obecnie dostępne w sprzedaży podobne urządzenia potrafią jedynie złapać i przytrzymać przedmioty. Nie są w stanie ich przenosić. Uczonym z University of Illinois udało się dokonać tej sztuki. Stworzony przez nich mikromanipulator nie jest jednak jeszcze w stanie precyzyjnie umieścić przenoszonego przedmiotu w żadanym miejscu. Za pomocą palców mikromanipulatora chwytaliśmy niewielkie kule – o średnicy 15 mikronów – i przenosiliśmy je w inne miejsce. Ich dokładne umiejscowienie jest jeszcze możliwe – mówi Saggere. Po raz pierwszy jednak udało się skoordynować pracę tak małych palców. Uczeni chcą w przyszłości wykorzystać napędy piezoelektryczne, które pozwolą na większą precyzję ruchu. Muszą też znaleźć sposób na przezwyciężenie sił działających w mikroskali, które utrudniają odczepienie przenoszonego przedmiotu od palców. Najpoważniejszym wyzwaniem jest zbieranie i umiejscawianie przedmiotów – mówi Saggere. Robienie tego ręcznie jest bardzo kosztowne. A wymagana precyzja, stres jakiemu poddawana jest osoba dokonująca tych czynności oraz obciążenie oczu występujące przy pracy pod mikroskopem czynią takie zadanie całkowicie niepraktycznymi. Jeśli chcemy produkować mikrosilniki, musimy wyposażyć je w mikroskrzynie biegów, mikrował napędowi i inne urządzenia. W tej chwili nie jesteśmy w stanie tego wykonać – stwierdził Saggere. W przyszłości mikromanipulatory znajdą zastosowanie nie tylko przy budowie mikrourządzeń, ale również posłużą np. do manipulowania komórkami organizmów żywych.