Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Bakterie w grafenowej osłonce lepiej widać

Recommended Posts

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.

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
      Na North Carolina State Univeristy powstała nowa technika ochrony elektroniki przed promieniowaniem jonizującym. Jest ona tańsza od istniejących metod, a składnikiem, który zapewnił jej sukces jest... rdza.
      Dzięki naszej technice można albo zatrzymać tyle samo promieniowania co wcześniej, obniżając wagę osłon o 30% lub więcej, albo też zachować zachować wagę osłon, ale zatrzymać o co najmniej 30% więcej promieniowania, mówi współautor badań profesor Rob Hayes.
      Promieniowanie jonizujące może uszkodzić urządzenia elektroniczne lub powodować, że będą nieprawidłowo działały. Dlatego też elektronika narażona na takie promieniowanie, jak na przykład podzespoły pracujące w przestrzeni kosmicznej, jest chroniona specjalnymi osłonami.
      Waga jest bardzo ważnym czynnikiem branym pod uwagę przy projektowaniu urządzeń mających trafić poza Ziemię. Najczęściej w formie osłon wykorzystuje się aluminium, będące kompromisem pomiędzy wagą a poziomem oferowanej ochrony.
      Nowa technika polega na wymieszaniu sproszkowanego tlenku metalu, rdzy, z polimerem i wyprodukowanie z tego osłony. Sproszkowany tlenek metalu zapewnia słabszą osłonę niż sproszkowany metal, jednak jest mniej toksyczny i nie ma tutaj obawy o to, że zaburzy pracę urządzenia, wyjaśnia Hayes. Obliczenia wskazują, że sproszkowany tlenek metalu zapewnia podobną ochronę co tradycyjne osłony. Przy promieniowaniu o niskiej energii proszek taki zmniejsza promieniowanie gamma 300-krotnie i zmniejsza nawet o 225% liczbę uszkodzeń spowodowanych przemieszczeniem atomów w sieci krystalicznej w wyniku kolizji z neutronami, wyjaśnia główny autor badań, Mike DeVanzo.
      Jednocześnie, jakie osłony są lżejsze. Symulacje komputerowe wskazują, że w najgorszym scenariuszu takie rozwiązanie absorbuje o 30% więcej promieniowania co tradycyjna osłona o tej samej wadze, dodaje Hayes. Dodatkowo materiał ten jest tańszy niż czysty metal.
      Z artykułem Ionizing radiation shielding properties of metal oxide impregnated conformal coatings można zapoznać się na łamach Radiation Physics and Chemistry.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W budownictwie od dawna wykorzystuje się materiały pochodzenia biologicznego, np. drewno. Gdy się ich używa, nie są już jednak żywe. A gdyby tak stworzyć żyjący budulec, który jest w stanie się rozrastać, a przy okazji ma mniejszy ślad węglowy? Naukowcy nie poprzestali na zadawaniu pytań i zabrali się do pracy, dzięki czemu uzyskali beton i cegły z bakteriami.
      Zespół z Uniwersytetu Kolorado w Boulder podkreśla, że skoro udało się utrzymać przy życiu pewną część bakterii, żyjące, i to dosłownie, budynki nie są wcale tylko i wyłącznie pieśnią przyszłości.
      Pewnego dnia takie struktury będą mogły, na przykład, same zasklepiać pęknięcia, usuwać z powietrza niebezpieczne toksyny, a nawet świecić w wybranym czasie.
      Na razie technologia znajduje się w powijakach, ale niewykluczone, że kiedyś żyjące materiały poprawią wydajność i ekologiczność produkcji materiałów budowlanych, a także pozwolą im wyczuwać i wchodzić w interakcje ze środowiskiem - podkreśla Chelsea Heveran.
      Jak dodaje Wil Srubar, obecnie wytworzenie cementu i betonu do konstruowania dróg, mostów, drapaczy chmur itp. generuje blisko 6% rocznej światowej emisji dwutlenku węgla.
      Wg Srubara, rozwiązaniem jest "zatrudnienie" bakterii. Amerykanie eksperymentowali z sinicami z rodzaju Synechococcus. W odpowiednich warunkach pochłaniają one CO2, który wspomaga ich wzrost, i wytwarzają węglan wapnia (CaCO3).
      Naukowcy wyjaśnili, w jaki sposób uzyskali LBMs (od ang. living building material, czyli żyjący materiał), na łamach pisma Matter. Na początku szczepili piasek żelatyną, pożywkami oraz bakteriami Synechococcus sp. PCC 7002. Wybrali właśnie żelatynę, bo temperatura jej topnienia i przejścia żelu w zol wynosi ok. 37°C, co oznacza, że jest kompatybilna z temperaturami, w jakich sinice mogą przeżyć. Poza tym, schnąc, żelatynowe rusztowania wzmacniają się na drodze sieciowania fizycznego. LBM trzeba schłodzić, by mogła się wytworzyć trójwymiarowa hydrożelowa sieć, wzmocniona biogenicznym CaCO3.
      Przypomina to nieco robienie chrupiących ryżowych słodyczy, gdy pianki marshmallow usztywnia się, dodając twarde drobinki.
      Akademicy stworzyli łuki, kostki o wymiarach 50x50x50 mm, które były w stanie utrzymać ciężar dorosłej osoby, i cegły wielkości pudełka po butach. Wszystkie były na początku zielone (sinice to fotosyntetyzujące bakterie), ale stopniowo brązowiały w miarę wysychania.
      Ich plusem, poza wspomnianym wcześniej wychwytem CO2, jest zdolność do regeneracji. Kiedy przetniemy cegłę na pół i uzupełnimy składniki odżywcze, piasek, żelatynę oraz ciepłą wodę, bakterie z oryginalnej części wrosną w dodany materiał. W ten sposób z każdej połówki odrośnie cała cegła.
      Wyliczenia pokazały, że w przypadku cegieł po 30 dniach żywotność zachowało 9-14% kolonii bakteryjnych. Gdy bakterie dodawano do betonu, by uzyskać samonaprawiające się materiały, wskaźnik przeżywalności wynosił poniżej 1%.
      Wiemy, że bakterie rosną w tempie wykładniczym. To coś innego niż, na przykład, drukowanie bloku w 3D lub formowanie cegły. Gdybyśmy mogli uzyskiwać nasze materiały [budowlane] na drodze biologicznej, również bylibyśmy w stanie produkować je w skali wykładniczej.
      Kolejnym krokiem ekipy jest analiza potencjalnych zastosowań platformy materiałowej. Można by dodawać bakterie o różnych właściwościach i uzyskiwać nowe materiały z funkcjami biologicznymi, np. wyczuwające i reagujące na toksyny w powietrzu.
      Budowanie w miejscach, gdzie zasoby są mocno ograniczone, np. na pustyni czy nawet na innej planecie, np. na Marsie? Czemu nie. W surowych środowiskach LBM będą się sprawować szczególnie dobrze, ponieważ do wzrostu wykorzystują światło słoneczne i potrzebują bardzo mało materiałów egzogennych. [...] Na Marsa nie zabierzemy ze sobą worka cementu. Kiedy wreszcie się tam wyprawimy, myślę, że naprawdę postawimy na biologię.
      Badania sfinansowała DARPA (Agencja Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych).

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowie z University of Illinois pogodzili ekspertów, którzy nie mogli dotychczas dojść do porozumienia, co do właściwości grafenu odnośnie jego zginania. Dzięki połączeniu eksperymentów z modelowaniem komputerowym określili, ile energii potrzeba do zgięcia wielowarstwowego grafenu i stwierdzili, że wszyscy badacze, którzy uzyskiwali sprzeczne wyniki... mieli rację.
      Większość badań nad grafenem skupia się na zbudowaniu z niego przyszłych urządzeń elektronicznych. Jednak wiele technologii przyszłości, jak elastyczna elektronika, czy miniaturowe niewidoczne gołym okiem roboty, wymagają zrozumienia nie tylko właściwości elektrycznych, ale i mechanicznych grafenu. Musimy się dowiedzieć przede wszystkim, jak materiał ten rozciąga się i zgina.
      Sztywność materiału to jedna z jego podstawowych właściwości mechanicznych. Mimo tego, że badamy grafen od dwóch dekad, wciąż niewiele wiemy na temat tej jego właściwości. A dzieje się tak, gdyż badania różnych grup naukowych dawały wyniki, różniące sie od siebie o całe rzędy wielkości, mówi współautor najnowszych badań, Edmund Han.
      Naukowcy z Illinois odkryli, dlaczego autorzy wcześniejszych badań uzyskiwali tak sprzeczne wyniki. Zginali grafen albo w niewielkim albo w dużym stopniu. Odkryliśmy, że w sytuacjach tych grafen zachowuje się odmienne. Gdy tylko trochę zginasz wielowarstwowy grafen, to zachowuje się on jak sztywna płyta, jak kawałek drewna. Jeśli jednak zegniesz go mocno, zaczyna zachowywać się jak ryza papieru, poszczególne warstwy atomów ślizgają się po sobie, wyjaśnia Jaehyung Yu.
      Ekscytujące jest to, że mimo iż wszyscy uzyskiwali odmienne wyniki, to wszyscy mieli rację. Każda z grup mierzyła coś innego. Opracowaliśmy model, który wyjaśnia wszystkie różnice poprzez pokazanie, jak się one mają do siebie w zależności od kąta wygięcia grafenu, mówi profesor Arend van der Zande.
      Naukowcy stworzyli własne płachty wielowarstwowego grafenu i poddawali je badaniom oraz modelowaniu komputerowemu. W tej prostej strukturze istnieją dwa rodzaje sił zaangażowanych w zginanie grafenu. Adhezja, czyli przyciąganie atomów na powierzchni, próbuje ściągnąć materiał w dół. Im jest on sztywniejszy, tym większy opór stawia adhezji. Wszelkie informacje na temat sztywności materiału są zakodowane w kształcie, jaki przybiera on na poziomie atomowym podczas zginania, dodaje profesor Pinshane Huang. Naukowcy szczegółowo kontrolowali, w jaki sposób materiał się zgina i jak w tym czasie zmieniają się jego właściwości.
      Jako, że badaliśmy różne kąty wygięcia, mogliśmy zaobserwować przejście z jednego stanu, w drugi. Ze sztywnego w giętki, ze sztywnej płyty do zachowania ryzy papieru, stwierdza profesor Elif Ertekin, który był odpowiedzialny za modelowanie komputerowe. Najpierw stworzyliśmy modele komputerowe na poziomie atomowym. Wykazały one, że poszczególne warstwy będą ślizgały się po sobie. Gdy już to wiedzieliśmy, przeprowadziliśmy eksperymenty z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego, by potwierdzić występowanie tego zjawiska". Okazuje się więc, że im bardziej grafen zostaje wygięty, tym bardziej elastyczny się staje.
      Badania te mają olbrzymie znaczenie np. dla stworzenia w przyszłości urządzeń, które będą na tyle małe i elastyczne, by mogły wchodzić w interakcje z komórkami czy materiałem biologicznym.
      Komórki mogą zmieniać kształt i reagować na sygnały ze środowiska. Jeśli chcemy stworzyć mikroroboty czy systemy o właściwościach systemów biologicznych, potrzebujemy elektroniki, która będzie w stanie zmieniać kształt i będzie bardzo miękka.  Możemy wykorzystać fakt, że poszczególne warstwy wielowarstwowego grafenu ślizgają się po sobie, dzięki czemu materiał ten jest o rzędy wielkości bardziej miękki niż standardowe materiały o tej samej grubości, wyjaśnia van der Zande.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej wykorzystują tlenek grafenu i związki grafenopochodne do opracowania nowych materiałów zabezpieczających przed promieniowaniem podczerwonym. Projekt IR-GRAPH realizowali ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
      Chcemy, żeby nasze materiały stanowiły barierę zarówno przed wpuszczaniem, jak i wypuszczaniem ciepła – mówi kierująca pracami dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. To kompozyty. Tworzymy je na bazie polimerów, obecnie dwóch rodzajów. Jako napełniacz stosujemy materiały grafenowe z dodatkiem tlenków metali, np. tlenku tytanu.
      Takie połączenie gwarantuje skuteczne ekranowanie. Materiały grafenowe są dodawane w celu pochłonięcia promieniowania, a tlenki metali mają za zadanie je rozpraszać – wyjaśnia badaczka.
      Konkurencyjny materiał
      Na rynku są już dostępne np. folie na okna, które chronią przed promieniowaniem. Materiały opracowywane przez naukowców z Politechniki Warszawskiej mogą być jednak dla nich konkurencją. Żeby obniżyć temperaturę o kilka stopni Celsjusza, dodaje się tam około 5% napełniacza – tłumaczy dr Mazurkiewicz-Pawlicka. My podobne wyniki uzyskujemy przy dodaniu 0,1% napełniacza, czyli 50 razy mniej.
      Na razie zespół skupia się jednak na samych materiałach, a nie konkretnych aplikacjach. Choć nietrudno wskazać potencjalne zastosowania, takie jak właśnie okna, ale też elewacje, a nawet tkaniny. Zimą takie materiały chroniłyby przed utratą ciepła, a latem przed nadmiernym nagrzaniem.
      W przypadku budynków czy pojazdów mogłaby to być pewna alternatywa dla powszechnie dzisiaj stosowanej klimatyzacji. Jej używanie pochłania przecież mnóstwo energii. Im bardziej chcemy zmienić temperaturę w stosunku do tej naturalnej dla danego pomieszczenia, tym więcej energii potrzeba. Każde mniej energochłonne wsparcie oznaczałoby oszczędności w budżecie i korzyść dla środowiska.
      Patrząc w przyszłość
      Nasi naukowcy przeprowadzili badania krótkoterminowe. Ich wyniki są obiecujące, ale wiele kwestii wymaga jeszcze dokładniejszego sprawdzenia, m.in. zachowanie polimerów w promieniowaniu UV, podwyższonej temperaturze czy zmienionej wilgotności. Ważne jest przetestowanie dotychczasowych rozwiązań zarówno w różnych warunkach, jak i w dłuższym czasie. Badania takie można przeprowadzić przy użyciu komory klimatycznej, do której na kilka tygodni można wstawić próbkę materiału i ją obserwować.
      Na przykład żeby wykorzystać nasze materiały w folii na okna musimy popracować nad barwą, bo obecna, w odcieniach szarości, ogranicza widzialność – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Chcemy też znaleźć nowe polimery, które mogłyby zostać użyte jako osnowa w naszych materiałach.
      Współpraca
      Zespół dr Mazurkiewicz-Pawlickiej tworzyli dr hab. Leszek Stobiński, dr Artur Małolepszy oraz grupa studentów wykonujących w ramach projektu prace inżynierskie i magisterskie. Swoją cegiełkę dołożyli też członkowie Koła Naukowego Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Zrobili urządzenie, które mierzy efektywność naszych folii – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Składa się z lampy emitującej promieniowanie podczerwone i czujnika, który mierzy, o ile stopni udało się obniżyć temperaturę.
      W ramach IR-GRAPH naukowcy z PW ściśle współpracowali z Tatung University na Tajwanie. Korzystali także ze wsparcia Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Prof. Dariusz Wasik, Dziekan Wydziału i dr hab. Andrzej Witowski są specjalistami w fizyce ciała stałego i wykonali dla nas pomiary spektrometryczne – mówi dr Mazurkiewicz-Pawlicka.
      Dlaczego ekranować podczerwień?
      Grafen kojarzony jest przede wszystkim z zastosowaniami w elektronice i automatyce. Wykorzystanie go do ekranowania promieniowania nie jest jeszcze tak rozpowszechnione. Są doniesienia literaturowe, że grafen ekranuje promieniowanie elektromagnetyczne – opowiada dr Mazurkiewicz-Pawlicka. Jest to szeroko badane pod kątem promieniowania mikrofalowego, a ostatnio też terahercowego, głównie w zastosowaniach militarnych. Pomyśleliśmy, żeby sprawdzić właściwości grafenu dla promieniowania podczerwonego, bo na ten temat wiadomo niewiele.
      Promieniowanie podczerwone charakteryzuje się długością fal między 780 nanometrów a 1 milimetr. Wspólnie ze światłem widzialnym i promieniowaniem UV tworzy spektrum promieniowania słonecznego. W nadmiarze ma ono negatywny wpływ na naszą skórę. A aż około 50% tego promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi, stanowi właśnie podczerwień (odczuwana w postaci ciepła). Dlatego tak ważne jest jej ekranowanie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grafen ma wiele zalet i jedną poważną wadę – brak pasma wzbronionego, przez co nie nadaje się do użycia w roli półprzewodnika. Możliwe jest jednak sztuczne wytworzenie pasma wzbronionego w grafenie poprzez dołączenie do niego atomów wodoru.
      Naukowcy z Göttingen i Pasadeny zarejestrowali właśnie jedną z najszybciej przebiegających reakcji chemicznych, jakie kiedykolwiek badano – niezwykły obraz atomów wodoru łączących się z grafenem.
      Uczeni bombardowali grafen atomami wodoru. Wodór zachowywał się nieco inaczej, niż się spodziewaliśmy, mówi Alec Wodtke z Wydziału Dynamiki Powierzchni Instytutu Chemii Biofizycznej im. Maksa Plancka i profesor Instytutu Chemii Fizycznej z Uniwersytetu w Göttingen. Zamiast natychmiast odlatywać od grafenu, atomy wodoru na chwilę przyklejały się do atomów węgla i dopiero później się od nich odbijały. Tworzyły czasowe wiązanie chemiczne, wyjaśnia. Naukowców zaintrygowało jeszcze jedno zjawisko. Otóż atomy wodoru miały dużą energię przed spotkaniem z grafenem. Gdy zaś go opuszczały ich energia była znacznie niższa. Jej większość traciły podczas zderzenia, lecz nie było jasne, co się z tą energią stało.
      Naukowcy z Göttingen i ich koledzy z Caltechu (California Institute of Technology), chcąc wyjaśnić zagadkę zaginionej energii, opracowali model teoretyczny, który przetestowali na komputerze, a uzyskane wyniki porównali z wynikami eksperymentów. Jako, że okazały się one zgodne, naukowcy mogli odtworzyć to, co w ciągu femtosekund zachodziło pomiędzy węglem a wodorem. To wiązanie chemiczne istnieje przez około 10 femtosekund. To jedna z najszybszych bezpośrednio zaobserwowanych reakcji chemicznych, mówi Alexander Kandratsenka z Göttingen.
      W ciągu tych 10 femtosekund atom wodoru przekazuje niemal całą swoją energię atomowi węgla w grafenie. Prowadzi do do powstania fali dźwiękowej, która rozprzestrzenia się na zewnątrz od miejsca, w którym atomy się zetknęły. Przypomina to propagację fali powstającej po wrzuceniu kamienia do wody, wyjaśnia uczony. To między innymi dzięki tej fali dźwiękowej atom wodoru łatwiej niż przypuszczano łączy się z atomem węgla.
      Uzyskane wyniki mogą mieć fundamentalne znaczenie dla przemysłu i możliwości wykorzystania grafenu w roli półprzewodnika. Jednak same eksperymenty wymagały olbrzymiej wiedzy, zasobów i odpowiedniego sprzętu. Musieliśmy prowadzić je w warunkach próżni niemal doskonałej, by utrzymać grafen w czystości, mówią badacze. Ponadto samo odpowiednie przygotowanie atomów wodoru wymagało wykorzystania olbrzymiej liczby systemu laserowych.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...