Znajdź zawartość

Na szwedzkim Uniwersytecie Technologicznym Chalmers powstała niezwykle prosta nanoantena, która odbija niebieskie i czerwone światło w różnych kierunkach. Urządzenie działa, mimo iż jest mniejsze od długości fali świetlnej. Dzięki nanoantenie w przyszłości mogą powstać optyczne nanoczujniki zdolne do wykrywania bardzo niewielkich ilości gazów czy molekuł. Struktury mniejsze od długości fali światła widzialnego nie powinny być w stanie rozszczepić światła. Jednak nowa nanoantena to potrafi. Jest ona bowiem zbudowana asymetrycznie z różnych materiałów, przez co dochodzi do przesunięcia fazy sygnału optycznego. Antena składa się z dwóch nanoczęsteczek umieszczonych w odległości 20 nanometrów od siebie na szklanym podłożu. Jedna z nich to nanocząsteczka srebra, druga - złota. Badania wykazały, że rozprasza ona światło, odbijając w różnych kierunkach widmo niebieskie i czerwone. Wyjaśnieniem jest pojawienie się przesunięcia fazy sygnału optycznego. Przyczyną wystąpienia tego zjawiska są różne właściwości optyczne srebra i złota, w szczególności częstotliwość drgań plazmonów. Oznacza to, że wolne elektrony nanocząsteczek wspólnie oscylują zgodnie z częstotliwością fali świetlnej, co w efekcie wpływa na rozprzestrzenianie się światła, mimo tego, że antena jest tak mała - mowi Timur Shegai, jeden z autorów nanoanteny.

Należące do amerykańskiego Departamentu Energii Idaho National Laboratory poinformowało o opracowaniu pierwszego przemysłowego procesu produkcji nanoanten zbierających energię ze Słońca i z innych źródeł na elastycznym podłożu. Oznacza to, że w przyszłości energia słoneczna może zasilać wiele różnych urządzeń, od samochodów po odtwarzacze MP3. Bez trudu będzie bowiem można umieścić na nich lekkie, elastyczne baterie słoneczne. Nanoanteny mogą być też wykorzystane do chłodzenia budynków czy elektroniki. I, co istotne, nie będzie trzeba specjalnie dostarczać do nich energii elektycznej. Nanoanteny wykorzystują promieniowanie w średnim paśmie podczerwieni. Jest ono bez przerwy emitowane przez naszą planetę, która oddaje w ten sposób ciepło uzyskane ze Słońca. Ziemia emituje je również w nocy, co czyni nanoanteny znacznie bardzie przydatne niż korzystające ze światła widzialnego ogniwa fotowoltaiczne. Tymczasem emisja w średnim paśmie podczerwieni to niezwykle bogate źródło energii. Każdy proces przemysłowy generuje odpadowe ciepło. To energia, która obecnie jest marnowana - mówi Steven Novack, jeden z inżynierów w INL. Naukowcy opracowali dotychczas nanoanteny, które potrafią dobrze wykorzystywać energię fal o niższych częstotliwościach np. mikrofal. Korzystanie z energii fali o wyższej częstotliwości, takiej jak fale podczerwone, jest trudniejsze, gdyż zmieniają one właściwości materiałów. Naukowcy z INL zbadali oddziaływanie podczerwieni na wiele różnych substancji, w tym na złoto, mangan i miedź. Na podstawie uzyskanych danych stworzyli komputerowy model nanoanteny. Okazało się, że nanoantena o odpowiednim kształcie i rozmiarach, zbudowana z odpowiednich materiałów, może zebrać aż 92% energii z podczerwieni. Następnie uczeni stworzyli nanoanteny za pomocą tradycyjnych metod. Umieścili je bowiem na krzemowym podłożu. Badania wykazały, że zbierają one ponad 80% energii promieniowania podczerwonego. Później za pomocą procesów drukarskich nałożyli nanoanteny na plastikowe podłoże. Wyniki badań wydajności takich nanoanten powinny być znane w najbliższej przyszłości, jednak wstępne rezultaty są bardzo obiecujące. Uczeni zauważają również, że nanoanteny mogą absorbować energię z podczerwieni i emitować ją w innej postaci, dzięki czemu będą świetnymi pasywnymi systemami chłodzącymi. Jednak, jak podkreślają, minie jeszcze sporo czasu zanim w praktyce wykorzystamy nanoanteny. Praktyczne wykorzystanie prądu powstającego w nanoantenach wymaga bowiem skonstruowania prostownika pracującego z częstotliwościami liczonymi w terahercach. Ponadto urządzenie takie musiałoby być około 1000-krotnie mniejsze, niż obecnie dostępne na rynku prostowniki. Jeśli uda się stworzyć takie urządzenia i będą one odpowiednio tanie, to nanoanteny na elastycznym podłożu staną się tanią, łatwą w produkcji i użyciu oraz bardziej wydajną alternatywą dla ogniw słonecznych. Tym bardziej, że manipulując ich kształtem i wielkością można dostosowywać je do pracy z różnymi długościami fali, a prace naukowców z INL pozwolą produkować je na olbrzymią skalę na plastikowych rolkach. Odpowiednio przycięte płachty plastiku mogą później pokryć dachy budynków czy gadżety elektroniczne.

Uczeni z Harvard University opracowali technologię, która może pozwolić na uzyskanie znacznie większej gęstości zapisu danych na nośnikach optycznych, takich jak CD, DVD, Blu-ray czy HD-DVD. Naukowcy stworzyli nanoantenę dzięki której, po wbudowaniu jej w tani laser, można będzie zapisać znacznie więcej danych niż dzieje się to obecnie, przy użyciu soczewek. Gęstość upakowania danych, a tym samym pojemność nośnika, rośnie, gdy zmniejsza się długość fali światła, wykorzystanej do ich zapisu. I tak nagrywarki CD czytają i zapisują falą o długości 780 nanometrów, DVD - 650 nanometrow, a HD-DVD i Blu-ray - 405 nm. Osiągnięcie mniejszych długości fali wymagałoby wykorzystania źródeł światła, które są obecnie zdecydowanie zbyt drogie, by mogły trafić na rynek elektroniki użytkowej. Długość fali ograniczona jest przez tzw. limit dyfrakcyjny soczewek, wykorzystywanych w napędach. Limit ten to zjawisko fizyczne i konwencjonalne soczewki mogą skupić światło do maksimum połowy długości jego fali. Mniejszych długości za ich pomocą nie można osiągnąć. Dlatego też naukowcy z Harvarda stworzyli nanoantenę. Podczas eksperymentów udało się światło o długości 830 nm, skupić do 40 nanometrów. Antena składa się z dwóch pręcików pokrytych złotem, pomiędzy którymi jest 30-nanometrowa przerwa. Gdy światło lasera trafia na pręciki, na moment wytrąca ono elektrony złota. Skupiają się one przy jednym z pręcików. W ten sposób jeden z nich ma wartość ujemną, drugi dodatnią. Antena działa jak kondensator i skupia światło lasera do około 10 nanometrów. Później, po przejściu przez "kondensator" światło zaczyna się rozpraszać, jednak gdy dociera do powierzchni nośnika długość jego fali wynosi 40 nanometrów. To znacznie mniej, niż długość fali w wykorzystywanych obecnie urządzeniach. Naukowcy uważają, że ich antena może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach technologii i nauki, jednak szczególnie atrakcyjna jest dla firm produkujących urządzenia, pozwalające zapisywać dane na nośnikach optycznych. Dzięki niej na płycie wielkości CD możliwe jest przechowywanie do 3 terabajtów (3000 gigabajtów) danych. To wielokrotnie więcej niż 50 GB oferowane przez najnowsze płyty Blu-ray.

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda skonstruowali laser, który pozwala na zajrzenie do wnętrza komórki i obserwowanie na żywo zachodzących tam procesów. Dzięki dodaniu nanoanteny do lasera działającego w paśmie podczerwieni stworzono urządzenie zdolne do przekazania obrazu o 100-krotnie większej rozdzielczości niż dotychczas. Do tej pory mikroskopy używane do obserwowania komponentów chemicznych wchodzących w skład komórek były ograniczone limitem dyfrakcyjnym. Jest to zjawisko fizyczne, które powoduje, że konwencjonalne soczewki mogą skupić światło do maksimum połowy długości jego fali. Mniejszych długości za ich pomocą nie można uzyskać. To bardzo poważne ograniczenie. Jeśli bowiem używamy do obserwacji mikroskopowej światła podczerwonego o długości fali 24 mikrometrów, to może ono zostać skupione do punku o szerokości 12 mikrometrów. Tymczasem wielkość komórki zwierzęcej to 10 mikrometrów, bakterii – 1 mikrometr, a wirusa – dziesiąte części mikrometra. Tak więc 12 mikrometrów to zdecydowanie zbyt dużo. Uczeni z Uniwersytetu Harvarda jako pierwsi pokonali limit refrakcyjny. Udało im się to w ubiegłym roku, gdy skonstruowali nanoantenę na potrzeby wyjątkowo gęstego zapisu danych na CD. Pierwsza nanoantena składała się z dwóch pręcików pokrytych złotem, pomiędzy którymi jest 30-nanometrowa przerwa. Gdy światło lasera trafia na pręciki, na moment wytrąca ono elektrony złota. Skupiają się one przy jednym z pręcików. W ten sposób jeden z nich ma wartość ujemną, drugi dodatnią. Antena działa jak kondensator i skupia światło lasera do około 10 nanometrów. Później, po przejściu przez "kondensator" światło zaczyna się rozpraszać, jednak gdy dociera do powierzchni nośnika długość jego fali wynosi 40 nanometrów. Nanoantena użyta do obserwacji komórek jest zbudowana podobnie, jednak zapewnia rozdzielczość rzędu 100 nanometrów. Naukowcy skojarzyli swoją antenę z kwantowym laserem kaskadowym i wykorzystali ją w mikrobiologii. Tego typu lasery emitują światło w średnim zakresie podczerwieni (od 3 do 24 mikrometrów) i są używane do identyfikacji związków chemicznych, gdyż w średniej podczerwieni poszczególne molekuły odbijają właściwe sobie częstotliwości światła. Dotychczas tego typu lasery nie były wykorzystywane w obrazowaniu o wysokiej rozdzielczości. Teraz mogą być wykorzystane do tego celu, a mikroskopy, w których zostaną zastosowane lasery kaskadowe, mogłyby np. wykrywać zmiany w pojedynczych białkach znajdujących się na powierzchni komórki. Dzięki zastosowaniu nanoanteny możliwe będzie uzyskanie jeszcze lepszej rozdzielczości. Jest ona bowiem ograniczona rozmiarem przerwy pomiędzy oboma pręcikami. Wraz z rozwojem technik produkcyjnych odległość tę będzie można zmniejszać, zwiększając tym samym rozdzielczość mikroskopu.