Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Badania naukowe nad nowymi rodzajami materiałów otwierają coraz to nowe perspektywy. Szukamy już nie tylko nanomateriałów, nadprzewodników i stopów z efektem magnetokalorycznym. Prace nad „topologicznym stanem powierzchniowym" obiecują powstanie szybszych układów elektronicznych.

Naukowcy z Uniwersytetu w Princeton w swoich poszukiwaniach nowych rodzajów materiałów zainteresowali się tak zwanymi „izolatorami topologicznymi". Pod tą nazwą kryją się materiały, które będąc w swojej objętości izolatorami, jednocześnie przewodzą prąd na swojej powierzchni. Zjawisko to, związane z tzw. kwantowym efektem Halla, występuje pod wpływem pola magnetycznego. Prace zespołu z Princeton, którym kierował profesor Zahid Hasan wykazały, że efekt „topologicznego stanu powierzchniowego" może występować również bez obecności pola magnetycznego.

Jednym z materiałów „topologicznych" jest pierwiastek antymon. Ekipa prof. Hasana zajęła się zbadaniem jego metalicznej odmiany. Badaniom pod skaningowym mikroskopem tunelowym poddano specjalnie wyhodowane kryształy metalicznego antymonu - dzieło Roberta Cavy z laboratorium chemicznego Uniwersytetu. Wykazały one wyjątkowe właściwości.

Przepływ elektronów na powierzchni normalnych materiałów jest zakłócany przez niedoskonałości jego struktury. W skali mikroskopowej nierówności powierzchni spowalniają na ruch elektronów. Jak się okazuje, kryształy antymonu nie hamują przepływu prądu powierzchniowego mimo nierówności powierzchni. Wygląda to tak, jakby elektrony „omijały" wszystkie przeszkody a nawet przenikały przez nie. Jak mówi Ali Yazdani, fizyk z zespołu badawczego, mikroskopijne bariery na powierzchni tego materiału tworzą szczególny rodzaj fali elektronowej, która najwyraźniej wpływa na wzór przepływu prądu wokół powierzchniowych barier i niedoskonałości.

Praktyczne zastosowanie odkrycia być może pozwoli na tworzenie pewniejszych połączeń elektrycznych w nanoskali i produkcję szybszych układów elektronicznych.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Polecam tutaj polskie prace w tej dziedzinie - teoretyczną ( http://arxiv.org/abs/1202.2315 ) oraz eksperymentalną ( http://arxiv.org/abs/1206.1705 ). Ta druga jest pierwszym eksperymentalnym dowodem istnienia tej nowej klasy materiałów, tzw. topologicznych izolatorów krystalicznych. Amerykanie spóźnili się o kilka dni :). Natomiast dla nieanglojęzycznych czytelników ciekawy, acz być może dość trudny, artykuł współautorstwa naszego wybitnego fizyka T. Dietla ( http://www.ifpan.edu...i_61_4_2010.pdf ).

  • Upvote (+1) 1
  • Downvote (-1) 1

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z University of Kentucky i University of Louisville wyliczyli, że niedrogi stop może posłużyć do pozyskiwania wodoru z wody za pomocą światła słonecznego. Dzięki najnowszym symulacjom komputerowym naukowcy dowodzą, że dodanie do azotku galu 2% antymonu spowoduje, iż po zanurzeniu stopu w wodzie i wystawieniu go na promienie słoneczne dojdzie do rozerwania wiązań pomiędzy tlenem a wodorem. Technika taka zwana jest fotoelektrochemiczną (PEC) elektrolizą wody.
      Wcześniejsze badania nad PEC skupiały się na złożonych materiałach. My postanowiliśmy zrobić coś przeciwnego i skupiliśmy się na prostych materiałach, nawet jeśli miałyby one nie posiadać odpowiedniego ułożenia elektronów, wymaganych do spełnienia kryteriów PEC. Chcieliśmy sprawdzić, czy niewielkie dostosowanie ułożenia ich elektronów da pożądane wyniki - mówi profesor Madhu Menon.
      Stop GaN-Sb to pierwszy prosty materiał, który może spełniać kryteria stawiane przed materiałami wykorzystywanymi w PEC. Podczas rozbijania wody stop nie ulega żadnemu zużyciu, może więc być wykorzystywany bardzo długo. Obecnie uczeni z UK i UofL pracują nad wykonaniem stopu i przetestowaniu jego właściwości.
      Wodór może być paliwem przyszłości. Jednak jego produkcja wiąże się z dużymi kosztami oraz wielkim zużyciem dwutlenku węgla. Jeśli uda się go pozyskiwać za pomocą prostego i taniego stopu, w procesie, który nie będzie wymagał dostarczania sztucznie produkowanej energii, pokonana zostanie jedna z głównych przeszkód stojąca na drodze do rozpowszechnienia się wodoru jako paliwa.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Princeton University powstał nowy typ czujnika, dzięki któremu możliwa będzie ocena stanu budynków czy mostów. Badanie zmian zachodzących w budowlach i wykrywanie pojawiających się uszkodzeń to bardzo ważne, a jednocześnie niełatwe zadanie.
      Sigurd Wagner i Patrick Gorrn postanowili wykorzystać laser, organiczne związki chemiczne i elastyczny polimer do stworzenia "skóry", którą można pokryć budowlę. Sprawdzając stan pokrycia można będzie oceniać zmiany zachodzące w samej budowli.
      Ich pomysł polega na użyciu poli(dimetylosiloksanu), którzy przygotowano tak, by miał falistą strukturę. Na jej powierzchnię nanosi się płynną mieszaninę molekuł organicznych. Gdy całość oświetlimy laserem ultrafioletowym, emitowane jest światło o konkretnej długości fali. W tym wypadku jest to widzialne czerwone światło. Jednak wszelkie zmiany na powierzchni "skóry", jej rozciągnięcie czy ścieśnienie, powodują zmianę długości fali emitowanego światła. Eksperymenty wykazały, że już ściśnięcie gumy o 2,2% prowadzi do zmian, które są wykrywane przez specjalne czujniki. Te potrafią zauważyć różnice sięgające zaledwie 5 nanometrów w długości fali. To bardzo dokładna metoda i jest to jej główna zaleta. W wielu przypadkach dochodzi bowiem do nieznacznych zmian struktury, które nie muszą objawiać się widocznymi uszkodzeniami. Te czujniki pozwalają zanotować takie zmiany - mówi Wagner.
      Dodatkową zaletą nowej metody jest możliwość sprawdzania zdrowia "skóry" z pewnej odległości oraz uniknięcie konieczności prowadzenia okablowania.
      Technologia z Princeton znajduje się obecnie w fazie eksperymentalnej. Uczeni szukają teraz jak najlepszych molekuł emitujących światło oraz metod ich umieszczania na PDMS. Wiemy, jak prowadzić eksperymenty. Ale nie znaleźliśmy jeszcze magicznej formuły - zauważył Wagner. 
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W 1828 roku Friedrich Wöhler, syntetyzując mocznik, dowiódł, że substancje organiczne można wytwarzać w laboratorium. Po niemal dwustu latach zbliżamy się do punktu, w którym będziemy potrafili stworzyć sztuczne życie. Funkcjonujące, syntetyczne białka, jakie stworzyli naukowcy z Princeton University, są milowym krokiem na tej drodze.
      Dwadzieścia różnych aminokwasów tworzy około stu tysięcy protein, jakie funkcjonują w naszych organizmach. Każda proteina wytwarzana jest dzięki ekspresji określonej sekwencji genów, to właśnie białka, jak trybiki w maszynie, tworzą mechanizm naszych komórek i całego organizmu. Dlaczego jest ich tylko sto tysięcy, choć możliwości ich tworzenia są nieskończone?
      Czego nie stworzyła natura w drodze ewolucji, postanowił stworzyć profesor Michael Hecht ze swoim zespołem, który na co dzień zajmuje się poznawaniem i rozszyfrowywaniem molekularnych mechanizmów działania komórek i całych żywych organizmów - czyli białek. Chciał sprawdzić, czy proteiny nigdzie nie występujące w naturze, zaprojektowane w laboratorium, będą w stanie funkcjonować w żywych komórkach. Zespół rozpoczął od stworzenia „biblioteki" syntetycznych, skomplikowanych, trójwymiarowych protein. Stworzono ich jeden milion, wszystkie niewidziane w naturze. Pozostało je sprawdzić.
      Laboratoryjne doświadczenia przeprowadzano na hodowlanych szczepach bakterii, które pozbawiano genów kodujących wybrane białka, konieczne do przeżycia w określonych okolicznościach (np. ograniczonego dostępu do pożywienia) - bez nich bakterie powinny zginąć. Zamiast nich wstawiano bakteriom sekwencje DNA - również zaprojektowane w laboratorium - kodujące syntetyczne białka z „biblioteki". Jeśli nowe białko nie sprawdziłoby się - bakterie powinny zginąć. Okazało się jednak, że w wielu przypadkach bakterie z „przeszczepionym" DNA, kodującym syntetyczne proteiny, żyły i rozmnażały się w najlepsze.
      Oto mamy tutaj molekularną maszynerię, która poprawnie funkcjonuje w żywym organizmie, mimo że została zaprojektowana od zera i stworzona z równie sztucznych genów - mówi Michael Hecht. - To oznacza, że molekularne elementy życia nie muszą się ograniczać do tych genów i protein, które już istnieją w naturze.
      Podmiana w organizmach żywych genów na pochodzące od innych gatunków to już niemal rutyna, ale nigdy nie próbowano zaprojektować ich sztucznych odpowiedników. To w istocie ogromny krok w biologii syntetycznej - skoro możemy zaprojektować jeden element, możemy też inne, a skoro tak, to możemy zaprojektować cały żyjący organizm. Droga do syntetycznej komórki jest może jeszcze długa, ale już w naszym zasięgu.
      Fundusze na badania pochodziły z National Science Foundation, a praca ukazała się w Public Library of Science ONE.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Promień laserowy zwykle ma swoje źródło w odpowiednim - dużym lub małym - generatorze. A czy może mieć swoje źródło po prostu w samym powietrzu? Brzmi jak tania fantastyka... ale już jest możliwe. I może okazać się bardzo przydatne.
      „Powietrzny laser" to wynalazek uczonych z Princeton University. Potrafią oni na odległość wzbudzić atomy tlenu w powietrzu do takiego poziomu, aby uzyskać wygenerowanie promienia lasera. Taki stan trzeba naturalnie czymś wzbudzić, a służy do tego... laser.
      Urządzenie pozwala skoncentrować laser ultrafioletowy na wybranym, odległym punkcie w powietrzu o wielkości zaledwie milimetrowego walca. Wzbudzone impulsem atomy tlenu stygnąc generują podczerwone światło, które wędrując przez wzbudzony region pobudza kolejne elektrony, generując spójną wiązkę laserową, która „powraca" do źródła oryginalnego, wzbudzającego lasera. Na razie odległość skutecznego wzbudzenia wiązki powrotnej to około półtorej stopy, ale trwają prace nad zwiększeniem zasięgu, to kwestia odpowiedniej kalibracji i skupienia.
      Zaskakujący wynalazek ma jeden główny cel - ma służyć zdalnemu analizowaniu próbek powietrza. Powracająca laserowa wiązka niesie bowiem ze sobą precyzyjne informacje na temat jego składu i zanieczyszczeń. Istnieją już techniki laserowego, zdalnego próbkowana składu powietrza (LIDAR - light detection and ranging), ale bazują one na mierzeniu światła rozproszonego. Potrafią one zmierzyć gęstość zanieczyszczeń, ale bez identyfikowania ich składu; jeśli udaje się zidentyfikować zanieczyszczenia, to jedynie te intensywne, a i to bez ich dokładnej lokalizacji. Tymczasem „powietrzny laser" z Princeton pozwala na wykrycie nawet bardzo małych zanieczyszczeń w dokładnie określonym miejscu. Po dopracowaniu będzie mógł identyfikować nawet ilości śladowe poszukiwanych substancji, określając zarazem dokładnie ich położenie.
      Badania finansuje rządowe biuro Office of Naval Research w ramach programu Sciences Addressing Asymmetric Explosive Threats. Gotowy „powietrzny laser" posłuży głównie do wykrywania obecności ładunków wybuchowych, które zawsze uwalniają śladowe ilości znaczących substancji. Gotowe urządzenie ma być wielkości umożliwiającej zamontowanie na przykład na czołgu i próbkowanie powietrza przed pojazdem, wykrywając ewentualne zakopane pod drogą bomby. Taki aparat uratowałby życie wielu żołnierzom na przykład w Afganistanie.
      Oczywiście zastosowań, zarówno wojskowych, policyjnych, jak i cywilnych takiego zdalnego, laserowego sensora znajdzie się o wiele więcej. Jednocześnie z głównym zespołem badawczym pracuje drugi, który zajmuje się połączeniem nowego rodzaju detekcji ze standardowym radarem.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nie kończą się nowe pomysły i koncepcje na zastosowanie grafenu - pojedynczej warstwy atomów węgla - w nanotechnologii. Do listy jego wielu atrakcyjnych cech trzeba dodać jeszcze jedną: dobrze współpracuje z DNA.
      Stworzenie nowych bioczujników, pozwalających na szybkie i bezbłędne identyfikowanie przyczyn chorób, to zajęcie wielu naukowców i laboratoriów na świecie. Narodowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku, należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Uniwersytet Princeton osiągnęły w tej dziedzinie wymierny sukces, łącząc grafen z ludzkim DNA.
      Podczas badań okazało się, że pojedyncza spirala DNA silnie i trwale łączy się z powłoką grafenową. To podsunęło myśl do sporządzenia czujnika, wykrywającego konkretne DNA w badanych próbkach. Pojedyncza spirala DNA z genu poszukiwanego czynnika chorobotwórczego jest umieszczana na powierzchni grafenu. Ponieważ naturalnym stanem cząstek DNA jest podwójna spirala, oddzielona nitka „poszukuje" odpowiadającej sobie pary. Zatem kiedy taki czujnik zanurzymy w krwi, lub innym płynie ustrojowym, umocowana na grafenie pojedyncza nić DNA będzie działać jak bardzo wybiórczy haczyk, łapiący swój odpowiednik. Jeśli poszukiwany czynnik „złapie przynętę" i przyczepi się do czujnika, ten generuje sygnał, który można zarejestrować.
      Sprawdzono, jaka jest czułość i wybiórczość projektowanego bioczujnika. Podczas prób z dołączanymi do wolno pływających nici DNA fluorescencyjnymi molekułami wykazano, że „łapanie" dokładnie poszukiwanych fragmentów jest dwukrotnie silniejsze niż łapanie fragmentów jedynie podobnych, które mogłyby fałszować wyniki.
      Zbadano też trwałość takiego czujnika - i tu dokonano kolejnego rewelacyjnego odkrycia. Okazało się, że grafen stanowi doskonałą ochronę nici DNA. Podczas prób z DNAzą - enzymem trawiącym DNA - okazało się, że podczas gdy wolno pływające nici są rozkładane natychmiast, nici DNA przytwierdzone do grafenowej powierzchni unikają zniszczenia przez 60 minut.
      Prostota działania i wykonania, oraz wysoka trwałość i skuteczność mogą sprawić, że rozpowszechnienie się tego typu czujników stanie się przełomem w diagnostyce medycznej. Nie koniec to jednak planów zespołu badawczego związanych z odkrytymi właściwościami grafenu. Skoro grafen tak dobrze współdziała z DNA, chcą poszukać sposobu na jej wykorzystanie do dostarczania leków bezpośrednio do chorych komórek, a może nawet wykorzystanie jej w terapii genowej.
×
×
  • Create New...