Znajdź zawartość

Nordyckie legendy mówią o słonecznych kamieniach wykorzystywanych przez Wikingów do nawigacji. Naukowcy od lat spierają się, czym one były, a teraz Guy Rospars z Uniwersytetu w Rennes twierdzi, że rozwiązał zagadkę. Jego zdaniem Wikingowie używali przezroczystego kryształu kalcytu, szpata islandzkiego. Występuje w nim podwójne załamanie światła i jego polaryzacja. Roparts i jego zespół umieścili na górze kryształu znacznik, kropkę. Gdy popatrzymy na kryształ od dołu, zobaczymy dwie kropki. Teraz należy obracać kryształ tak, by obie kropki miały dokładnie taki sam odcień. Czubek kryształu wskazuje wówczas położenie Słońca - mówi Ropars. Jego zdaniem, tak właśnie mogli robić Wikingowie, gdy Słońce było niewidoczne. Zwykle nawigowali oni określając położenie Słońca i gwiazd. Jednak na morzach północnych, gdzie pływali, bardzo często panują warunki uniemożliwiające zobaczenie Słońca. Wówczas kryształ kalcytu pozwalał określić jego pozycję z dokładnością być może nawet do 1 stopnia. Teorię Roparsa wzmacnia znalezienie szpata islandzkiego na brytyjskim statku, który zatonął w 1592 roku. Kryształ mógł być używany nawet wtedy, gdy w Europie znano już kompas. Sprawdziliśmy, że nawet jedno działo wydobyte z tego okrętu mogło odchylić wskazania kompasu nawet o 90 stopni. Aby więc uniknąć pomyłek wówczas, gdy Słońce było niewidoczne, użycie kompasu optycznego mogło być niezwykle ważne. Nawet 400 lat po epoce Wikingów - stwierdzają badacze.

By przeżyć w wymagającym środowisku, jeżowce wgryzają się w kamień. Za pomocą zębów, znajdujących się w aparacie szczękowym zwanym latarnią Arystotelesa, odgryzają fragmenty skały. W ten sposób tworzą sobie nisze, gdzie mogą się ukryć przed drapieżnikami i które pomagają im złapać grunt "pod nogami". Nie grozi im już wtedy obijanie z prądem wody przemieszczającym się po basenie pływowym. Zęby jeżowców mają jeszcze jedną cechę, szczególnie ważną z ludzkiego punktu widzenia, nigdy się nie tępią. Sekret nieprzemijającej ostrości przez dziesięciolecia fascynował naukowców niemal tak samo jak sekret wiecznej młodości. Dzięki najnowszym badaniom prof. Pupy Gilbert z University of Wisconsin udało się opisać mechanizm samoostrzenia zębów u jeżowców z gatunku Strongylocentrotus purpuratus. Artykuł na ten temat ukazał się w piśmie branżowym Advanced Functional Materials. Gdyby odtworzyć sztuczkę jeżowców w przypadku noży czy innych narzędzi, nigdy nie wymagałyby ostrzenia. Ząb jeżowca ma bardzo skomplikowaną konstrukcję. To jedna z nielicznych struktur w przyrodzie, która podlega samoostrzeniu – podkreśla Gilbert, dodając, że zęby jeżowca stale rosną i stanowią biomineralną mozaikę słupkowych i tabliczkowych kryształów kalcytu. Są one ułożone na krzyż, a spaja je supertwardy kalcytowy nanocement. Pomiędzy kryształami znajdują się warstwy materiałów organicznych, które nie są tak wytrzymałe jak one. Organiczne warstwy są słabymi ogniwami łańcucha. W zębach w określonych z góry miejscach istnieją tzw. punkty krytyczne. To koncepcja podobna do perforowanego papieru w tym sensie, że materiał rozpada się w ustalonych zawczasu miejscach. Wygląda więc na to, że zużyta część zęba odrywa się od reszty jak znaczek pocztowy... Na powierzchni budowa krystaliczna uzębienia jeżowca nie przypomina innych kryształów występujących w naturze. Brak tu wyraźnie wyodrębnionych faset, lecz na najgłębszych poziomach wszystko wygląda już znajomo: atomy są uporządkowane, tworząc charakterystyczną biomineralną mozaikę. Podczas eksperymentów (finansowanych przez Departament Energii i Narodową Fundację Nauki) Amerykanie zastosowali mikroskopy rentgenowskie, które pokazały, jak ułożone są kryształy.

Szkliwo z zębów ryb dwudysznych i belony pospolitej (Belone belone) może ułatwić wyprodukowanie lżejszych i bardziej wydajnych paliwowo samochodów czy samolotów – twierdzi prof. John Barry, fizyk z Queensland University of Technology. Napędem dla mojej pracy jest potrzeba znalezienia nowych lepszych materiałów, ponieważ większości udoskonaleń z dziedziny materiałoznawstwa z ostatnich 60 lat nie uda się kontynuować bez wprowadzania ciągłych innowacji. Ograniczeniem są właściwości wykorzystywanych obecnie materiałów. Z powodu ciągłej potrzeby zwiększania osiągów docieramy do granic możliwości materiałów, a skutki tego zjawiska bywają katastrofalne – w tym miejscu warto przypomnieć choćby ostatnie awarie silników Airbusów 380. Barry ma na to radę – badanie przyrody i wykorzystywanie naturalnych rozwiązań. Zęby różnych zwierząt były przystosowywane lub konstruowane do różnych celów. Jak materiały inżynieryjne są tworami kompozytowymi o właściwościach o wiele lepszych od wielu istniejących syntetyków. Zaczęliśmy od dwudysznych, ponieważ są zwierzętami prehistorycznymi [wyewoluowały we wczesnym dewonie]. Z tego powodu sądziliśmy, że budowa ich zębów będzie sporo prostsza niż u współczesnych zwierząt, które podlegały wielu ewolucyjnym zmianom. Byliśmy zaskoczeni, gdy natrafiliśmy na skomplikowaną mikrostrukturę zęba. Badaliśmy także belony, które mają wyjątkowe odporne na zniszczenia zęby. Australijczycy tłumaczą, że w 95% ząb składa się z hydroksyapatytu, minerału zbudowanego z hydroksyfosforanu wapnia, który sam w sobie jest bardzo słaby, ale w organizmie żywym staje się twardy i wytrzymały. Zespół z QUT bada strukturę zęba na 3 poziomach. Najpierw akademicy przyglądają się kryształom zębiny (dentyny), które mogą mieć różne kształty, sposobom ich ułożenia w poszczególnych pęczkach pryzmatycznych szkliwa oraz temu, jak zorganizowana jest powierzchnia zęba, by ciąć, miażdżyć lub rozcierać pokarm. Badacz z antypodów podkreśla, że w przeszłości naukowcy próbowali już wykorzystywać materiały naśladujące przyrodę. W czasie II wojny światowej inżynierowie pracujący nad imitowaniem właściwości drewna stworzyli włókno szklane, zaś zamek błyskawiczny to technologiczna kopia przywierających do ubrania rzepów. Barry opowiada, że skopiowanie niektórych struktur zęba pozwoli na wyeliminowanie kompozytów włókien węglowych. Obecnie są one najlepszym z dostępnych rozwiązań, ale, niestety, pozostają bardzo mocne wzdłuż warstwy nanoszenia ziaren, a w poprzek są bardzo słabe, co ogranicza ich zastosowanie.

Naukowcy z The Australian National University są autorami najbardziej efektywnej jak dotychczas kości kwantowej pamięci. Udało im się zatrzymać i kontrolować światło oraz manipulować elektronami. Wszystko w krysztale schłodzonym do temperatury -270 stopni Celsjusza. Światło wpadające do kryształu jest zwalniane aż do zatrzymania się i pozostaje tam tak długo, jak chcemy. Otrzymujemy w ten sposób trójwymiarowy hologram, dokładny do ostatniego fotonu - mówił Morgan Hedges, główny autor badań. Dodał przy tym, że z fakt, iż taki hologram można odczytać tylko raz, czyni całość bardzo dobrym narzędziem służącym bezpiecznej komunikacji. Australijscy naukowcy mają też nadzieję, że uda się przeprowadzić testy pokazujące, jak kwantowe splątanie ma się do teorii względności. Możemy splątać stany kwantowe w dwóch układach pamięci, to znaczy w dwóch kryształach. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, odczytanie stanu jednego z nich doprowadzi do zmiany stanu drugiego, niezależnie od odległości dzielących oba kryształy. Zgodnie z teorią względności, to w jaki sposób płynie czas dla układu pamięci zależy od tego, jak się on porusza. Jeśli będziemy mieli dobre kości kwantowej pamięci, to do zbadania interakcji pomiędzy obiema teoriami wystarczy wsadzić jeden z kryształów do bagażnika samochodu i wybrać się na przejażdżkę - stwierdza doktor Matthew Sellars. Zespół Sellarsa już wcześniej pokazał, jak można zatrzymać światło w krysztale na ponad sekundę, czyli 1000-krotnie dłużej, niż było to możliwe wcześniej. Teraz uczeni połączyli wysoką wydajność z możliwością zatrzymania światła na całe godziny.

Doktor Jay Narayan z North Carolina State University opracował układ scalony, który może przechować olbrzymie ilości danych. Dzięki zastosowaniu nanokropek możliwe będzie zrewolucjonizowanie kości pamięci. Stworzyliśmy magnetyczne nanokropki, w których można przechować po 1 bicie danych. Umożliwia to zapisanie w kości o powierzchni 1 cala kwadratowego danych mieszczących się na miliardzie stron druku - stwierdził Narayan. Przełom był możliwy dzięki stworzeni pojedynczych wolnych od zanieczyszczeń kryształów, które działały jak magnetyczne czujniki, i umieszczeniu ich bezpośrednio na krzemie. Średnica każdego z kryształów wynosi zaledwie 6 nanometrów, a uczonym z NCSU udało się opracować technikę pozwalającą na ich bardzo precyzyjne rozmieszczenie i zorientowanie w tym samym kierunku. To z kolei pozwala na wiarygodny zapis i odczyt danych. Same chipy są tanie w produkcji. Kolejnym wyzwaniem stojącym przed uczonymi będzie stworzenie odpowiedniej obudowy oraz mechanizmu odczytywania i zapisywania danych - mówi się tutaj o laserze - które pozwolą na skomercjalizowanie produktu.

Zheng Wang i jego zespół z Massachusetts Institute of Technology stworzyli pierwszy "zawór" dla mikrofal, czyli materiał, przez który mikrofale przechodzą tylko w jedną stronę. Fotoniczny kryształ stworzony jest z ferrytowych pręcików. W normalnych warunkach pręciki odbijają mikrofale we wszystkich kierunkach. Jednak po dodaniu pola magnetycznego, mikrofale są odbijane tylko w jednym kierunku. Naukowcy pracują teraz nad taką zmianą parametrów urządzenia, by działało ono z radiacją o częstotliwościach liczonych w terahercach i z widoczną częścią spektrum. Nowe kryształy fotoniczne mogą posłużyć do budowy nowych urządzeń telekomunikacyjnych i komputerowych. Mogą powstać proste routery puszczające sygnał tylko w jedną stronę czy falowody bardziej efektywne od światłowodów.

Bezpośrednią przyczyną wielu przypadków zawału serca i udaru mózgu jest krystalizacja cholesterolu wewnątrz ścian naczyń krwionośnych - twierdzi badacz z Uniwersytetu Stanu Michigan, dr George Abela. Jego zespół informuje o odkryciu za pośrednictwem czasopisma American Journal of Cardiology. Za każdym razem, gdy pojawia się coś nowego lub unikalnego w badaniach związanych z medycyną, spotyka się to na początku ze zdrowym sceptycyzmem, przyznaje dr Abela, badający kryształy cholesterolu już od ośmiu lat. Ale odkryliśmy coś, co może pomóc drastycznie zmienić sposób leczenia chorób serca. Do swoich badań naukowcy z Michigan wykorzystali fragmenty tętnic pobrane od pacjentów zmarłych z powodu chorób serca. Ich analiza wykazała, że zbieranie się znacznych ilości cholesterolu w ścianach naczyń krwionośnych może wywołać jego krystalizację. Traci on wówczas elastyczność, przez co może się z łatwością oderwać od blaszki miażdżycowej, czyli zgrubienia ściany naczynia, utrudniającego przepływ krwi. Fragmenty oderwane od blaszki miażdżycowej są dla organizmu szkodliwe na dwa sposoby. Oprócz ryzyka zablokowania przepływu krwi przez miejsca, do których się dostaną, istnieje także niebezpieczeństwo uszkodzenia nabłonka wyściełającego wnętrze naczyń. Dochodzi wówczas do uruchomienia procesu krzepnięcia krwi, co może prowadzić do znacznego zwiększenia zakresu zniszczeń. Powstawanie kryształów cholesterolu było przez wiele lat niezauważalne. Działo się tak, ponieważ standardowa metoda przygotowywania preparatów do obserwacji mikroskopowej, wykorzystująca etanol do usunięcia z próbki wody, powodowała ich wypłukanie. Zespół dr. Abeli zastosował inną metodę, polegającą na osuszaniu ich z wykorzystaniem podciśnienia. Pozwoliło to na zachowanie niebezpiecznych kryształów i ich dokładną obserwację. Odkrycie nowego mechanizmu odpowiedzialnego za szkodliwość złogów cholesterolu oznacza możliwość poszukiwania terapii, które ograniczałyby powstawanie szkodliwych złogów na wczesnym etapie ich rozwoju. Mogłoby to znacząco zmniejszyć ryzyko oderwania się elementów blaszki miażdżycowej, dzięki czemu prawdopodobieństwo zablokowania dopływu krwi do tkanek zostałoby znacząco obniżone.

Nowa metoda mikroskopowania, korzystająca z osiągnięć nanotechnologii, została zaprezentowana przez naukowców z Uniwersytetu Utah. Jak twierdzą jej autorzy, pozwoli ona na badanie struktur krystalicznych z niezwykłą precyzją. Sercem wynalazku jest umieszczana pod badanym preparatem płytka pokryta warstwą nanocząstek srebra. Każda z tych mikroskopijnych struktur działa niczym zwierciadło, odbijając padające na nią światło. Część z niego trafia za pośrednictwem układu optycznego do oka obserwatora. Efektem jest, tak jak w każdym mikroskopie, silnie powiększony obraz badanego obiektu. Zastosowanie nanocząstek srebra umożliwiło znaczące zwiększenie rozdzielczości uzyskiwanego obrazu. Dzięki możliwości oświetlania ściśle określonych grup "zwierciadeł" oraz manipulowaniu właściwościami padającego na nie światła możliwe jest także oświetlanie próbki "na raty", tzn. kawałek po kawałku. Ogranicza się w ten sposób powstawanie przypadkowych refleksów, mogących obniżyć jakość uzyskiwanych obrazów. Kolejną zaletą opracowanej metody jest możliwość całkowitej rezygnacji ze stosowania barwników fluorescencyjnych. W wielu stosowanych obecnie technikach są one przyłączane do składników badanego preparatu. Zwiększa się w ten sposób kontrast uzyskiwanego obrazu (a więc jest korzystne dla jego jakości), lecz może to powodować wiele niekorzystnych efektów, na czele z toksycznością dla struktur ożywionych. Idealnym przykładem zastosowania mikroskopii z wykorzystaniem lustra złożonego ze srebrnych nanocząstek wydaje się badanie kryształów. Preparaty o takiej strukturze posiadają niezwykłą zdolność "porządkowania" przechodzącej przez nie wiązki światła. Jeżeli wykorzysta się tę właściwość i oświetli się próbkę falami o odpowiednich właściwościach, można uzyskać niezwykle precyzyjne obrazy pozwalające na określenie jej wewnętrznej struktury. Metoda opracowana przez badaczy z Uniwersytetu Utah może znaleźć wiele zastosowań. Pozwala ona np. na badanie wielu typów konstrukcji pod kątem ukrytych wad strukturalnych, ocenę budowy struktur biologicznych oraz poszukiwanie nowych materiałów potencjalnie użytecznych w inżynierii. Z biegiem czasu z pewnością pojawi się także wiele nowych pomysłów na wykorzystanie tego precyzyjnego narzędzia.

Dzięki przypadkowemu odkryciu, dokonanemu na Case Western Reserve University, możliwe będzie dłuższe i bezpieczniejsze przechowywanie żywności oraz leków i lepsze zabezpieczenie elektroniki przed wilgocią. A wszystko przy jednoczesnych obniżonych kosztach. Uczeni w laboratorium Centrum Warstwowych Systemów Polimerowych zablokowali przenikanie gazu przez polimer. Oznacza to, że jego cieńsza warstwa będzie zabezpieczała lepiej, niż obecnie grubsza. Badacze przypadkowo odkryli, że tlenek polietylenu (PEO), gdy nakładany jest w warstwach, których grubość liczymy w skali nano, krystalizuje w jedną warstwę, która przypomina pojedynczy olbrzymi kryształ. Charakteryzuje się on 100-krotnie mniejszą przepuszczalnością gazów niż obecnie wykorzystywany polietylen. Dzięki temu, że struktura takich warstw jest krystaliczna, nie pozwala ona na penetrację gazów takich jak tlen czy dwutlenek węgla. Nigdy wcześniej nie udało się zaobserwować spontanicznego organizowania się polimeru w niemal idealne kryształy. Odkrycie pozwoli na produkcję olbrzymich, liczonych w kilometrach długości, płacht polietylenu o bardzo dobrych właściwościach. Obecnie polimery, takie jak polietylen, polipropylen czy nylon, są wykorzystywane jako bariery dla gazów w przemyśle opakowaniowym. Zabezpieczają żywność, leki i elektronikę, a ich głównymi zaletami są niewielki koszt produkcji, odporność mechaniczna i łatwość produkcji. Teraz będą one lepiej zabezpieczały żywność i leki, a jako że ich właściwości są znacznie lepsze, samego materiału może być mniej, co obniży koszty jego stosowania.

Chemicy z Purdue University opracowali nową metodę tworzenia kryształów podobnych do diamentów, które pomogą wyprodukować "perfekcyjne lustra". Te z kolei przydadzą się do produkcji komputera optycznego oraz pozwolą zastąpić sygnały elektryczne optycznymi (świetlnymi). Technika, która powstała w Purdue, wymusza na cząsteczkach układanie się w żądane kształty na krzemowej matrycy. Jest ona tańsza i pozwala na szybszą produkcję kryształów, niż obecnie wykorzystywane technologie. Aktualnie używa się technik wymuszających tworzenie konkretnych kształtów do produkcji dwuwymiarowych struktur zwanych kryształami koloidalnymi. Prawdopodobnie znajdą one zastosowanie np. w oprzyrządowaniu optycznym aparatów fotograficznych i innych produktach konsumenckich. Kolejnym krokiem na drodze do ulepszania przyrządów optycznych jest stworzenie trójwymiarowych kryształów, dzięki którym powstaną materiały zdolne do odbijania nadbiegających z wielu kierunków promieni światła o określonej długości fali. Takie materiały istnieją, jednak są tak drogie, że nie są stosowane, mimo iż znacząco poprawiłyby jakość światłowodów. Naukowcy z Purdue właśnie opracowali technikę, która, jak mają nadzieję, pozwoli w najbliższej przyszłości produkować na masową skalę tanie materiały, z których powstaną

Każdy, kto interesuje się technikami transmisji danych, świetnie zdaje sobie sprawę z przewagi, jaką mają światłowody nad kablami miedzianymi. Choć z przyczyn ekonomicznych i technicznych te ostatnie wciąż mają się całkiem dobrze, dzięki naukowcom z Ames Laboratory (działającym na Iowa State University) już wkrótce mogą trafić do lamusa. Stojący na czele zespołu badawczego Rana Biswas twierdzi bowiem, że trwają prace nad idealnym sposobem zarządzania i globalnej dystrybucji ogromnych ilości danych w przewodach optycznych. Nowa technologia bazuje na "trójwymiarowych" kryształach fotonicznych, które pełnią rolę filtra, pozwalającego dodawać kanały na drodze światłowodu oraz je odejmować (ang. add-drop filter). Wspomniany filtr pozwala optymalnie wykorzystać dostępne pasmo przez ograniczenie "zasięgu" wybranego kanału jedynie do odcinka łączącego nadawcę z odbiorcą danych. Kanałów tych można dziś zmieścić w światłowodzie do 160, a dzięki opisywanej technice, efektywna pojemność łącza jest zwielokrotniana. Podobne urządzenia nie są co prawda niczym nowym, jednak dotychczas stosowane rozwiązania charakteryzowały się pewnymi ograniczeniami, np. dopiero opisywany kryształ zapewnia stabilną, wysoką jakość sygnału. Obecnie naukowcy pracują nad udoskonaleniem filtra optycznego. Ponieważ od jego rozmiaru zależą obsługiwane długości fal światła, konieczna jest miniaturyzacja kryształów do około 1,5 mikrometra. Jak twierdzą badacze, osiągnięcie tego rozmiaru stanowi niemałe wyzwanie.