Znajdź zawartość

W odpowiednich warunkach woda może stać się metalem, a następnie izolatorem, stwierdzili uczeni z Cornell University. W PNAS ukazał się artykuł, w którym Neil Ashcroft, Roald Hoffmann i Andreas Hermann opisują wyniki swoich teoretycznych obliczeń. Wynika z nich, że przy ciśnieniu rzędu 1-5 terapaskali woda tworzy stabilne struktury. Mimo, że ciśnienie takie jest dziesiątki milionów razy większe od ciśnienia ziemskiego, istnienie wody w takim stanie nie jest wykluczone. Wręcz przeciwnie, może ona powszechnie występować nawet w naszym Układzie Słonecznym. Tak olbrzymie ciśnienie może panować wewnątrz Urana. Z wyliczeń uczonych wynika, że powyżej 1 terapaskala poszczególne molekuły wody przestają istnieć, a H2O zostaje ściśnięta tworząc siatkę połączeń tlenu i wodoru, która przyjmuje najróżniejsze kształty. Już wcześniej obliczano, że przy ciśnieniu 1,55 TPa woda staje się metalem i ma najbardziej stabilną strukturę. Naukowcy z Cornell poszli dalej i udało im się wyliczyć, że najbardziej stabilna jest woda przy ciśnieniu wyższym od 4,8 TPa. Wówczas jednak traci ona właściwości metalu i staje się izolatorem. Jak zauważa profesor Ashcroft, najbardziej niezwykłym wnioskiem wypływającym z obliczeń jest odkrycie, że olbrzymie ciśnienie powoduje, iż woda przestaje być ciałem stałym i w pewnym momencie zamienia się w kwantową ciecz. Trudno jest to sobie wyobrazić - topienie lodu pod wpływem podwyższonego ciśnienia - stwierdził naukowiec.

Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla, odkrywcy grafenu Kostya Novoselov i Andre Geim, stworzyli najcieńszy izlolator na świecie. Fluorografen powstał na bazie grafenu, jednak w przeciwieństwie do niego nie przewodzi prądu. Grafen jest bardzo dobrym przewodnikiem, gdyż z obu stron warstwy tego materiału znajdują się chmury elektronów. Uczeni z University of Manchester do każdego atomu węgla doczepili atom fluoru w ten sposób, by zaburzyć pracę chmury elektronów, ale jednocześnie, by nie zniszczyć heksagonalnej struktury grafenu. Wcześniej używali w tym celu atomów wodoru, jednak całość okazała się niestabilna w wysokich temperaturach. Zdaniem naukowców fluorografen to najcieńszy możliwy do uzyskania izolator, stworzony dzięki dołączeniu atomów fluoru do każdego atomu węgla w grafenie. To pierwszy stoichiometryczna chemiczna pochodna grafenu i jednocześnie półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym. Flurografen jest mechanicznie silnym oraz chemicznie i termicznie stabilnym związkiem. Właściwości tego materiału są bardzo podobne do teflonu. Nazywam go 2D Teflon. Nowy materiał, po dalszych udoskonaleniach, może znaleźć szerokie zastosowanie w elektronice. Stanie się np. wysokiej jakości izolatorem w elektronice organicznej, a dzięki szerokiemu pasmu wzbronionemu może być całkowicie przezroczystym dla światła widzialnego półprzewodnikiem. Twórcy nie wykluczają zatem użycia go w LED-ach i wyświetlaczach przyszłości.

Czemu jednym można grać nad uchem na puzonie i nie wywrze to na nich najmniejszego wrażenia, a inni budzą się pod wpływem najmniejszego szelestu i śpią jak przysłowiowy zając pod miedzą? Ci pierwsi zawdzięczają swoją przydatną w wielu okolicznościach umiejętność falom wzmożonej aktywności wzgórza (Current Biology). Zespół Jeffreya Ellenbogena z wydziału snu Massachusetts General Hospital (MGH), Brigham and Woman's Hospital (BWH) oraz Cambridge Health Alliance (CHA) monitorował aktywność mózgu 12 dorosłych osób, które spędziły 3 kolejne noce w laboratorium snu. Najpierw po prostu spały w specjalnym dźwiękoszczelnym i smoliście czarnym pomieszczeniu. Potem eksperyment powtórzono jeszcze dwukrotnie, tym razem odtwarzając ochotnikom 14 dźwięków, np. ruch uliczny czy spłukiwanie wody w toalecie. Dźwięki powtarzano co 30 sekund, stopniowo zwiększając ich głośność, aż do momentu wykrycia w EEG oznak pobudzenia. Chcieliśmy dociec, co mózg robi, by ułatwić stabilny sen nawet w obliczu hałasów i czemu niektórym przychodzi to łatwiej niż pozostałym. Okazało się, że u osób budzących się dopiero po głośniejszych dźwiękach występowała większa częstotliwość tzw. wrzecion snu (nazywanych czasem falami sigma). Wskazują one na początek fazy snu NREM, czyli snu o wolnych ruchach gałek ocznych. Zasięg fal impulsu to 12 do 16 Hz, a czas trwania zaledwie 0,5-1,5 sekundy. Wrzeciona są generowane przez wzgórze, które, wg naukowców, działa jak izolator hamujący proces przetwarzania i reagowania m.in. na dźwięki. W ciągu 3 nocy u wszystkich osób utrzymywał się stały wskaźnik wrzecion. Ellenbogen podkreśla, że większość wolontariuszy nie zdawała sobie sprawy z przerywania snu, co oznacza, że hałas może mieć większy wpływ na jakość snu, niż jednostce się wydaje. Po dotarciu do mózgu większość informacji czuciowych, w tym dźwięki, przechodzi przez wzgórze. Kora jest następnym etapem, na którym sygnał zostanie dostrzeżony. Komunikacja między tymi dwoma obszarami ma miejsce także w czasie snu, co widać w zapisie EEG. Manipulując nagromadzeniem wrzecion, można by pomóc osobom odpoczywającym w głośnym otoczeniu bądź narzekającym na nieciągłość snu związaną ze zbyt częstymi pobudkami. Zaprojektowaliśmy studium na 3 noce, by zdobyć jak najwięcej danych, ale efekt był tak silny, że mogliśmy go zobaczyć po jednej głośnej nocy. Teraz chcemy zbadać techniki behawioralne, leki i urządzenia, które mogą zwiększyć częstość występowania wrzecion snu i sprawdzić, czy pomoże to w podtrzymaniu snu w hałasie [...].

Większość polimerów to dobre izolatory zarówno dla energii elektrycznej, jak i cieplnej. Naukowcom z MIT-u (Massachusetts Institute of Technology) udało się tak zmienić polietylen - najpopularniejszy z polimerów - że zaczął przewodzić ciepło lepiej niż wiele metali. Pozostał przy tym izolatorem dla elektryczności. Bardzo ciekawą właściwością nowego polietylenu jest fakt, iż przewodzi on ciepło tylko w jednym kierunku. Dzięki temu możne znaleźć zastosowanie tam, gdzie potrzebne jest efektywne odprowadzanie energii cieplnej, czyli np. w urządzeniach chłodzących podzespoły komputerowe. Kluczem do sukcesu było ułożenie molekuł polimeru w jednej linii. Zwykle tworzą one chaotyczną splątaną warstwę. Dokonano tego dzięki powolnemu wyciąganiu włókna polietylenowego z roztworu za pomocą końcówki mikroskopu sił atomowych. Posłużyła on jednocześnie do sprawdzenia właściwości włókna. Badania wykazały, że tak produkowane włókno przewodzi ciepło aż 300-krotnie lepiej od zwykłego polietylenu. Przewyższa pod tym względem połowę metali, w tym żelazo czy platynę. Profesor Gang Chen, szef zespołu badawczego zapewnia, że po udoskonaleniu techniki uda się uzyskać jeszcze lepsze właściwości. Nowy polimer przyda się wszędzie tam, gdzie potrzebujemy dobrego jednokierunkowego przewodnictwa cieplnego. Jeśli dodamy do tego, że polietylen niewiele waży, jest dobrym izolatorem elektrycznym oraz wykazuje stabilne właściwości chemiczne, to pole jego zastosowań znacznie się zwiększy. Wszystko zależy oczywiście od tego, czy uda się opracować tanie techniki masowej produkcji nowego materiału.

Badacze z Lawrence Berkeley National Laboratory dowiedli, że pole elektryczne może posłużyć do przełączania stanów w multiferroikach. To z kolei umożliwi wykorzystanie w przyszłości tych materiałów do przechowywania danych zarówno za pomocą zjawisk magnetycznych jak i spintronicznych. Multiferroiki to materiały charakteryzujące się jednocześnie więcej niż jedną cechą materiałów ferroikowych. Ich cztery podstawowe właściwości to ferromagnetyzm, ferroelektryczność, ferroelastyczność i ferrotoroidalność. Najpierw jego zespół wzbogacił żelazian bizmutu o akceptory jonów wapnia, gdyż zwiększają one ilość prądu, który może przepłynąć przez BiFeO3. Spowodowało to powstanie pozytywnie naładowanych wakancji tlenowych. Po przyłożeniu pola elektrycznego, wakancje te stały się ruchome. Powędrowały do góry materiału, tworząc złącze typu n, a nieruchome jony wapnia utworzyły w dolnej części materiału złącze typu p. Po odwróceniu kierunku pola elektrycznego obszary p i n zamieniły się miejscami. Z kolei zastosowanie pola elektrycznego o średnim natężeniu pozwoliło na wykasowanie obszarów p i n. Na takiej samej zasadzie działają współczesne urządzenia CMOS, gdzie przyłożenie napięcia pozwala na kontrolowanie właściwości przepływu elektronów i zmienia oporność z wysokiej (izolator) na niską (przewodnik) - zauważa Ramesh. W typowym urządzeniu CMOS różnica w oporności obu stanów jest milionkrotna. W żelazianie bizmutu osiągnięto dotychczas tysiąckrotną różnicę pomiędzy stanami on i off. To i tak dwa razy więcej, niż najlepszy wynik uzyskany za pomocą pola magnetycznego. Wystarczy też, by urządzenia z żelazianu bizmutu działały.

Fizycy z Rice University odkryli nowe właściwości w jednym z najlepiej znanych i zbadanych przez człowieka minerałów – magnetycie. Po schłodzeniu do temperatury niższej niż -157 stopni Celsjusza magnetyt z izolatora zmienił się w przewodnik. To fascynujące, że taki materiał, który jest badany przez człowieka od tysięcy lat, wciąż kryje zagadki – mówi Doug Natelson, profesor fizyki i astronomii. To odkrycie pokazuje nam, czego możemy dokonać dzięki nowoczesnym urządzeniom pozwalającym badać materiały w skali nano – dodaje. Magnetyczne właściwości minerału zostały udokumentowane w Chinach ponad 2000 lat temu, a przed 900 laty Chińczycy budowali kompasy, w których wykorzystywano magnetyt. Fizycy od ponad 60 lat wiedzą, że elektryczne właściwości magnetytu zmieniają się w niskich temperaturach. Teraz odkryli, że przykładając do minerału odpowiednio wysokie napięcie, zmieniają go z isolatora w przewodnik. Po zmniejszeniu napięcia magnetyt znowu staje się izolatorem. Na razie naukowcy nie wiedzą, co powoduje takie przełączanie się stanów tego materiału. Mają nadzieję, że dalsze badania rzucą nieco światła na tę zagadkę. Prace nad magnetytem mają jak najbardziej praktyczne znacznie. Materiały zmiennofazowe są coraz powszechniej stosowane w elektronice i przez najbliższe lata będą odgrywały w niej olbrzymią rolę.