Znajdź zawartość

Kleszcze z gatunku Haemaphysalis flava zostały jako pierwsze sfilmowane żywe pod skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM). To nie lada osiągnięcie, zważywszy, że próbki umieszcza się w próżni i bombarduje wiązką elektronów. By próżnia nie doprowadziła przypadkiem do wybuchu, przed umieszczeniem w mikroskopie próbki pochodzenia biologicznego poddaje się liofilizacji niskotemperaturowej. W takiej właśnie komorze liofilizacyjnej podłączonej do pompy próżniowej Yasuhito Ishigaki z Kanazawa Medical University natrafił na żywe kleszcze. Nawet po półgodzinie, gdy większość powietrza już odessano, pajęczaki czuły się całkiem dobrze. Zadziwiony wytrzymałością pasażerów na gapę, Japończyk umieścił 20 osobników (8 dorosłych samic i 12 nimf) w SEM. Nie przygotowywał ich w jakiś specjalny sposób, tylko przykleił do taśmy przewodzącej (normalnie, ponieważ pozostała po liofilizacji substancja organiczna raczej nie odbija szybkich elektronów, ale je hamuje, trzeba zastosować powlekanie cienką warstwą metalu, np. złota). Akademik zrezygnował z metalowej powłoki (tzw. repliki), gdyż wiedział, że w przeszłości naukowcom i bez niej udawało się obserwować martwe kleszcze. We wnętrzu mikroskopu elektronowego musi panować wysoka próżnia, by elektrony nie rozpraszały się na cząsteczkach powietrza. Podczas eksperymentu zespołu Ishigakiego ciśnienie wysokiej próżni wynosiło 1.5×10−3 Pa. Pajęczaki poruszały odnóżami, a po wyjęciu z mikroskopu rozchodziły się na wszystkie strony. Wydaje się jednak, że "deszcz elektronów" zebrał swoje żniwo. Choć wszystkie osobniki przeżyły co najmniej 2 dni, bez kąpieli w ujemnie naładowanych cząstkach mogłyby żyć kilka tygodni. W niektórych przypadkach H. flava wydawały się podejmować próby ucieczki przed wiązką elektronów. Z dwojga złego lepsza jest próżnia, bo wszystko wskazuje na to, że kleszcze potrafią na długo wstrzymać oddech. Badanie Japończyka nie uzupełnia w jakiś znaczący sposób naszej wiedzy o kleszczach. W dotyczących ich studiach SEM wykorzystuje się już od lat 70. Teraz zdobyliśmy jedynie garść szczegółów związanych lokomocją tych pajęczaków. W 2008 r. ogłoszono, że niesporczaki potrafią przetrwać w kosmicznej próżni (tym samym stały się one pierwszymi zwierzętami, u których zidentyfikowano tę umiejętność). W ich przypadku "kontakt" miał jednak miejsce w stanie anhydrobiozy, a kleszcze w ogóle nie przygotowywały się do wyzwania.

Naukowcy ze szwedzkiego Chalmers University of Technology stworzyli światło z... próżni. W ten sposób udowolnili prawdziwość teoretycznych założeń, które zaistniały w nauce przed 40 laty. Utworzone przez uczonych fotony pojawiały się i znikały w próżni. Odkrycie opiera się na jednym z najbardziej niezwykłych założeń fizyki kwantowej, które mówi, że próżnia nie oznacza braku cząsteczek. W rzeczywistości jest ona pełna pojawiających się i znikających cząsteczek. Jako, że cząsteczki te są niezwykle ulotne, są uważane za cząsteczki wirtualne. Christopher Wilson i jego zespół zmusili fotony, by przestały być wirtualne i stały się realne. W 1970 roku pojawiła się teoria, że wirtualne fotony z próżni staną się fotonami realnymi, jeśli odbiją się od lustra, które porusza się niemal z prędkością światła. Jako, że nie jest możliwe spowodowanie, by lustro poruszało się tak szybko, zastosowaliśmy inny sposób na osiągnięcie tego samego efektu - mówi profesor Per Delsing. Zamiast zmieniać fizyczną odległość od lustra, zmieniliśmy elektryczną odległość od obwodu elektrycznego, który działa jak lustro dla mikrofal. Takie „lustro" składa się z niezwykle czułego nadprzewodzącego urządzenia do interferencji kwantowej (SQUID). Naukowcy miliardy razy w ciągu sekundy zmieniali kierunek pola magnetycznego, dzięki czemu „lustro" wibrowało z prędkością 1/4 prędkości światła. W wyniku tego z próżni pojawiały się pary fotonów, mogliśmy je mierzyć jako promieniowanie mikrofalowe. Właściwości tego promieniowania były dokładnie takie, jakie przewiduje teoria kwantowa dla par fotonów pojawiających się w ten sposób - mówi Per Delsing. Naukowcy wyjaśniają, że „lustro" przekazuje część swojej energii kinetycznej wirtualnym fotonom, dzięki czemu stają się one fotonami realnymi. Jako, że masa spoczynkowa fotonu wynosi 0, nie wymagają one zbyt dużej energii by przejść ze stanu wirtualnego do realnego. Teoretycznie z próżni można też uzyskać inne cząsteczki, jak protony czy neutrony, jednak wymaga to znacznie więcej energii niż w przypadku fotonów.

Dzięki grafenowym osłonom można uzyskać pod mikroskopem elektronowym precyzyjniejszy obraz bakterii. Widać je w naturalnych rozmiarach, wzrasta też rozdzielczość. Grafen tworzy warstwę o jednoatomowej grubości, jest nieprzepuszaczalny, optycznie przezroczysty, poza tym charakteryzuje go wysoka przewodność cieplna. Choć ma grubość zaledwie jednego atomu, nie przepuszcza nawet najdrobniejszych cząsteczek. Co więcej, jest wytrzymały i bardzo elastyczny, można mu więc nadać każdy kształt – wyjaśnia prof. Vikas Berry z Uniwersytetu Stanowego Kansas. Zespół Berry'ego zajmuje się badaniem grafenu już od 3 lat, jednak dopiero ostatnio naukowcy wpadli na pomysł wykorzystania tego nanomateriału w obrazowaniu komórek pod mikroskopem elektronowym. Wiązka elektronów może być w urządzeniu emitowana tylko w wysokiej próżni. Wytwarza się ją dzięki systemowi pomp. Prowadzi to jednak do usunięcia wody z komórek (zawierają jej od 70 do 80%) i obkurczenia. W rezultacie trudno uzyskać dokładny obraz komórki i jej składowych w stanie naturalnym. Gdy jednak bakterię lub inną komórkę otoczy się grafenową kapsułką, woda pozostaje na swoim miejscu. Grafen można "owinąć" wokół bakterii na dwa sposoby. Pierwsza metoda polega na ułożeniu na niej arkusza nanomateriału (naukowcy porównują to do przykrywania kocem czy pościelą). Druga polega na umieszczeniu komórki w roztworze, gdzie arkusze ją opatulają ze wszystkich stron. Obie techniki uwzględniają wykorzystanie białka, która nasila wiązanie arkuszy ze ścianą komórkową. Podczas eksperymentów po zapakowaniu w grafen bakterie nie zmieniały wielkości przez pół godziny, co dawało dużo czasu na badania. Ponieważ grafen jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności, odprowadza je poza powłokę, zapewniając klarowny obraz. Nieosłonięte komórki bakteryjne wydają się zaś pod mikroskopem elektronowym ciemne i nie da się odróżnić ich ścian. Berry ma nadzieję, że dzięki pomysłowi jego zespołu w przyszłości będzie można w czasie rzeczywistym obserwować biochemię bakterii. Łatwiej też będzie badać białka, które zachowują się inaczej, gdy są suche, a inaczej, kiedy znajdują się w roztworze wodnym.

Fizycy z University of Michigan zbudowali teoretyczne podstawy do stworzenia czegoś z niczego. Opracowali oni nowe równania, które dowodzą, że wysokoenergetyczny strumień elektronów połączony z intensywnymi impulsami lasera jest w stanie oddzielić w próżni materię od antymaterii, co wywołałoby lawinę wydarzeń prowadzących do powstania dodatkowych par cząstek i antycząstek. Obliczyliśmy jak za pomocą pojedynczego elektronu stworzyć kilkaset cząstek. Sądzimy, że w naturze zjawiska takie zachodzą w pobliżu pulsarów i gwiazd neutronowych - stwierdził Igor Sokolov, który prowadził swoje badania wraz z Johnem Neesem. Uczeni przyjęli założenie, że próżnia nie jest pustką. Z rozważań wybitnego fizyka Paula Diraca wynika bowiem, że próżnia to kombinacja materii i antymaterii czyli cząstek i antycząstek. Nie możemy jednak stwierdzić ich obecności, gdyż dochodzi do ich anihilacji. Jednak, jak mówi Nees, w silnym polu elektromagnetycznym anihilacja może stać się źródłem nowych cząstek. Podczas anihilacji pojawiają się fotony gamma, które mogą wytwarzać dodatkowe elektrony i pozytrony. Teoria Sokolova i Neesa już zyskała miano teoretycznego przełomu i jakościowego skoku w teorii. Już pod koniec lat 90. ubiegłego wieku udało się w warunkach eksperymentalnych uzyskać fotony gamma i przypadkową parę elektron-pozytron. Wspomniane równanie opisuje sposób uzyskania większej liczby cząstek. Sokolov i Nees wiedzą też, w jaki sposób można doświadczalnie zweryfikować ich obliczenia. Do ich potwierdzenia konieczne byłoby wbudowanie lasera typu Herkules (to laser wykorzystywany na University of Michigan) w akcelerator cząstek podobny do SLAC National Accelerator Laboratory na Uniwersytecie Stanforda. Jednak w najbliższym czasie takie urządzenie z pewnością nie powstanie. Sam Sokolov zwraca uwagę na fascynujące filozoficzne pytania rodzące się w związku z jego pracą. Podstawowe pytania o to, czym jest próżnia, czym jest nicość wychodzą poza zakres nauki. Są one zakorzenione głęboko nie tylko w fizyce, ale też w filozoficznym pojmowaniu wszystkiego - rzeczywistości, życia, a nawet w religijnych pytaniach o to, czy świat mógł powstać z niczego.

Próżnia jest powszechnie uznawana za najdoskonalszy izolator. brak atomów powoduje, że ciepło jest bardzo słabo przewodzone. Jednak najnowsze badania pozwoliły naukowcom wpaść na trop materiału, który jeszcze słabiej przewodzi ciepło. Chodzi tutaj o warstwy fotonicznych kryształów przedzielonych próżnią. Ciepło może być transferowane pomiędzy materiałai poprzez konwekcję, przewodnictwo i radiację. Dwie pierwsze metody wymagają istnienia materialnego medium, zatem nie działają w próżni. jednak radiacja w postaci światła podczerwonego przemieszcza się w próżni, powodując np. powolne stygnięcie płynu w termosie. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda pracujący pod kierunkiem Shanhuia Fana już w ubiegłym roku zaczęli zastanawiać się, czy istnieje lepszy izolator od próżni. Z ich teoretycznych wyliczeń wynikało, że mogą to być kryształy fotoniczne. Powstają one w naturze (np. opal), można je również wytworzyć w laboratorium. Ich szczególną cechą jest struktura o okresowo rozłożonym współczynniku załamania. Mamy w niej do czynienia z fotoniczną przerwą energetyczną, a więc nie przechodzi przezeń konkretna długość fali świetlnej. Uczeni odkryli, że struktura o grubości 100 mikrometrów, zbudowana z 10 warstw kryształów o grubości 1 mikrometra każda, pomiędzy którymi znajdują się 10-mikrometrowe obszary próżni, powoduje, że przewodnictwo cieplne jest o 50% mniejsze niż w przypadku zastosowania samej próżni. Dalsze badania dowiodły, że nie zależy ono od grubości warstw kryształów, ale od współczynnika załamania światła. Odkrycie to może mieć liczne zastosowania. Na przykład tam, gdzie energia słońca jest wykorzystywana do podgrzewania, przyda się materiał, który będzie przepuszczał światło widzialne, ale zatrzyma ciepło.

Naukowcy IBM-a wykorzystali naturalne procesy formowania się płatków śniegu, muszli i zębów do stworzenia układów scalonych przyszłej generacji. To, co podpatrzyli w naturze, pozwoliło im zbudować układ scalony, w którym poszczególne połączenia są odizolowane od siebie za pomocą próżni. Obecnie ścieżki w układach scalonych tworzy się z miedzi, która otoczona jest izolatorem. Cały proces jest dość skomplikowany i wymaga stworzenia odpowiedniej przesłony (tzw. maski), w której wycięty jest wzór rozmieszczenia ścieżek i otworów. Promień lasera, przechodząc przez maskę, rysuje ten wzór na krzemie. Następnie krzem poddaje się jeszcze odpowiedniej obróbce chemicznej. Wynalazek IBM-a pozwala zrezygnować z maski i wytrawiania krzemu światłem. Naukowcy Błękitnego Giganta opracowali odpowiednią mieszaninę składników, którą pokrywa się odpowiednio przygotowany krzem, a następnie całość poddaje wypiekaniu. Podczas tego procesu powstaje wzór, który tym różni się od naturalnego (np. z płatków śniegu), że jest powtarzalny. Technika IBM-a pozwala na stworzenie miliardów identycznych otworów o średnicy 20 nanometrów. Gdy otwory już powstały usunięto z nich szkło węglowo-krzemianowe, tworząc w ten sposób próżnię pomiędzy ścieżkami miedzi. Działa ona jak izolator, a dzięki niej sygnały elektryczne biegną o 35% szybciej niż w analogicznych układach stworzonych za pomocą tradycyjnych metod. Przy tej samej prędkości przepływu sygnałów układ wymaga natomiast o 15% mniej energii. Cały proces można zastosować na standardowych liniach produkcyjnych CMOS i nie wymaga on ani ich przebudowy, ani inwestowania w nowe urządzenia.