Pierwsze splątanie organizmu żywego i fotonu
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy potrafią przygotować bakterie tak, by wyczuwały różnego typu molekuły obecne w środowisku, jak składniki odżywcze czy zanieczyszczenia w glebie. Jednak by odczytać takie sygnały, by stwierdzić, że bakterie wyczuły obecność interesujących nas molekuł, trzeba przyjrzeć się samym bakteriom pod mikroskopem. Przez to dotychczas nie mogły być wykorzystywane do monitorowania środowiska na duża skalę. Jednak właśnie się to zmieniło. Naukowcy z MIT stworzyli bakterie, od których sygnały można odczytywać z odległości 90 metrów. W przyszłości mogą więc powstać bakterie, które będzie można monitorować za pomocą dronów lub satelitów.
Wyprodukowane na MIT bakterie wytwarzają molekuły generujące unikatowe połączenie kolorystyczne. To nowy sposób na uzyskiwanie informacji z komórki. Jeśli staniesz obok, niczego nie zauważysz, ale z odległości setek metrów, wykorzystując specjalną kamerę, możesz odczytać potrzebne informacje, mówi jeden z autorów badań, Christopher Voigt, dziekan Wydziału Inżynierii Biologicznej MIT.
Naukowcy stworzyli dwa różne typy bakterii, które wytwarzają molekuły emitujące światło o specyficznej długości fali w zakresie widma widzialnego i podczerwieni. Światło to można zarejestrować za pomocą specjalnej kamery. Generowanie molekuł jest uruchamiane po wykryciu sąsiadujących bakterii, jednak tę samą technikę można wykorzystać do wytwarzania molekuł w obecności np. zanieczyszczeń. W ten sposób można bakterie zamieniać w czujniki wykrywające dowolne substancje.
Generowane przez bakterie molekuły można obserwować za pomocą kamer hiperspektralnych, które pokazują zawartość różnych kolorów w każdym z pikseli obrazu. Każdy z nich zawiera bowiem informację o setkach fal światła o różnej długości.
Obecnie kamery hiperspektralne wykorzystywane są na przykład do wykrywania promieniowania. Wykorzystuje się je chociażby wokół Czarnobyla do rejestrowania niewielkich zmian koloru, powodowanych przez pierwiastki radioaktywne w chlorofilu roślin.
Uczeni z MIT wykorzystali podczas testów bakterie Pseudomonas putida i Rubrivivax gelatinosus. Pierwszą z nich przygotowali tak, by wydzielała biliwerdynę, drugą wyposażono w możliwość wytwarzania pewnego typu bakteriochlorofilu. Testowe skrzynki zawierające bakterie umieszczono w różnych miejscach, a następnie były one obserwowane przez kamery hiperspektralne.
Kamery w ciągu 20–30 sekund skanowały skrzynki, a algorytm komputerowy analizował sygnały i zgłaszał, czy doszło do emisji wspomnianych związków. Największa odległość, z której udało się wykryć emisję molekuł przez bakterie wynosiła 90 metrów.
Autorzy badań pracują już nad zwiększeniem odległości, z jakiej można odczytywać sygnały. Mówią, że ich technologia przyda się zarówno do badania ilości składników odżywczych w glebie, jak i do wykrywania min.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Birmingham opublikowali na łamach Physical Review Letters artykuł, w którym niezwykle szczegółowo opisali naturę fotonów, ich interakcję z materią oraz sposób, w jaki są emitowane przez atomy i molekuły oraz kształtowane przez środowisko. W ten sposób mogli precyzyjnie opisać kształt pojedynczego fotonu. Zadanie to przekraczało dotychczas możliwości nauki, gdyż foton może propagować się w środowisku na niezliczoną liczbę sposobów, przez co trudno jest modelować interakcje, w jakie wchodzi.
Nasze obliczenia pozwoliły nam na przełożenie pozornie nierozwiązywalnego problemu w coś, co można obliczyć. A produktem ubocznym naszego modelu jest możliwość stworzenia obrazu pojedynczego fotonu, czego dotychczas nikt nie dokonał, mówi doktor Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki i Astronomii University of Birmingham.
Współautorka badań, profesor Angela Demetriadou stwierdziła: geometria i właściwości optyczne środowiska mają olbrzymi wpływ na sposób emitowania fotonów, definiują ich kształt, barwę, a nawet to, z jakim prawdopodobieństwem istnieją.
Praca brytyjskich uczonych pogłębia naszą wiedzę na temat wymiany energii pomiędzy światłem a materią, pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło wpływa na bliższe i dalsze otoczenie. Pozwolą lepiej manipulować interakcjami światła z materią, a więc przyczynią się do udoskonalenia czujników, ogniw fotowoltaicznych czy komputerów kwantowych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Endometrioza to poważna choroba, która dotyka do 10% kobiet w wieku rozrodczym. Jej najbardziej widocznym objawem jest ból, niejednokrotnie tak mocny i długotrwały, że uniemożliwia normalne funkcjonowanie. W wyniku choroby komórki wyściółki macicy, endometrium, przemieszczają się po organizmie osadzając się i rozrastając w różnych miejscach, niszcząc organizm i życie kobiety. Choroba ta jest jedną z najczęstszych przyczyn niepłodności kobiet. Mimo to, wciąż nie znamy jej przyczyn.
W ostatnim czasie coraz więcej uwagi zwraca się na potencjalną rolę mikroorganizmów w rozwoju endometriozy. Rozwój endometriozy próbuje się powstrzymywać za pomocą terapii hormonalnych i zabiegów chirurgicznych. Najczęściej są to jednak półśrodki, a choroba nawraca przez kilkadziesiąt lat, aż do okresu menopauzy. Chcielibyśmy znaleźć nowe sposoby leczenia. Jednak najpierw musimy się dowiedzieć, dlaczego ludzie cierpią na endometriozę, mówi specjalizująca się w biologii nowotworów Yutaka Kondo z Uniwersytetu w Nagoi.
Pani Kondo wraz ze swoim zespołem przebadała tkankę endometrium 155 Japonek. I okazało się, że u 64% kobiet z endometriozą występują mikroorganizmy z rodzaju Fusobacterium. U kobiet zdrowych bakterie te znaleziono jedynie u 7% badanych. Tymczasem wiemy, że Fusobakterium, często występujące w ustach, jelitach i pochwie może powodować różne choroby, jak np. choroby przyzębia.
Naukowcy postanowili sprawdzić, czy Fusobacterium może mieć wpływ na rozwój endometriozy. Dlatego też przeszczepili tkankę endometrium od jednych do jamy brzusznej innych myszy. Zgodnie z oczekiwaniami, w ciągu kilku tygodni u myszy pojawiły się blizny typowe dla endometriozy. Okazało się, że jest ich więcej i są one większe u tych myszy, którym jednocześnie przeszczepiono Fusobacterium. Myszy zaczęto więc leczyć, podawanymi dopochwowo, antybiotykami – metronidazolem lub chloramfenikolem. Doprowadziło to do zmniejszenia liczby i rozmiarów ognisk endometriozy. Japończycy prowadzą obecnie badania kliniczne na kobietach z endometriozą, by sprawdzić, czy podawanie antybiotyków przyniesie im przynajmniej częściową ulgę.
Badania są obiecujące, ale mają poważne ograniczenia. Myszy nie są bowiem dobrymi modelami do badań nad endometriozą, gdyż ani nie menstruują, ani nie tworzą się u nich spontanicznie blizny spowodowane endometriozą. Dlatego też konieczne jest prowadzenie większej liczby badań na ludziach. Ponadto Japończycy skupili się na badaniu blizn tworzących się na jajnikach, tymczasem u ludzi w wyniku endometriozy mogą powstawać one w całym organizmie i na wszystkich organach wewnętrznych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Washington zauważyli, że są w stanie wykryć „atomowy oddech” czyli wibracje mechaniczne pomiędzy dwiema warstwami atomów. Dokonali tego obserwując światło emitowane przez atomy wzbudzone laserem. Odkryte zjawisko można wykorzystać do zakodowania i przesłania informacji kwantowej. Uczeni zbudowali urządzenie, które może stać się elementem składowym przyszłych technologii kwantowych.
To nowa platforma w skali atomowej, która wykorzystuje optomechanikę, szereg zjawisk w których ruch światła i ruch mechaniczny są ze sobą nierozerwalnie powiązane. Mamy tutaj efekty kwantowe, które możemy wykorzystać do kontrolowania pojedynczego fotonu przemieszczającego się przez zintegrowane obwody optyczne, mówi profesor Mo Li, który stał na czele grupy badawczej.
Ostatnie badania bazowały na wcześniejszych pracach związanych z ekscytonami. To kwazicząstki w których można zakodować informację kwantową, a następnie przesłać ją w postaci fotonu, którego właściwości kwantowe (jak polaryzacja czy długość fali) pełnią rolę kubitu. A jako że kubit ten jest niesiony przez foton, informacja przemieszcza się z prędkością światła. Fotony są naturalnym wyborem jako nośnik informacji kwantowej, gdyż potrafimy przesyłać je za pomocą światłowodów szybko na duże odległości, nie tracą przy tym zbyt wielu informacji, dodaje doktorantka Adina Ripin.
Naukowcy pracowali w ekscytonami chcąc stworzyć urządzenie emitujące pojedyncze fotony. Obecnie w tym celu używa się atomowych macierzy, takich jak np. znajdujące się w diamentach. Jednak w macierzach takich występują naturalne defekty, które zaburzają pracę tego typu urządzeń. Naukowcy z Uniwersity of Washington chcieli precyzyjnie kontrolować miejsce, z którego będzie dochodziło do emisji fotonu.
Wykorzystali w tym celu nałożone na jednoatomowe warstwy diselenku wolframu. Dwie takie warstwy nałożyli na podłoże, na którym znajdowały się setki kolumienek o szerokości 200 nanometrów każda. Diselenek wolframu przykrył te kolumienki, a ich obecność pod spodem doprowadziła do pojawienia się niewielkich naprężeń w materiale. W wyniku naprężeń znajdujących się w miejscu każdej z kolumienek powstała kropka kwantowa. I to właśnie te kropki są miejscem, w którym dochodzi do emisji. Dzięki precyzyjnemu impulsowi laserowemu naukowcy byli w stanie wybić elektron, tworząc w ten sposób ekscytony. Każdy z ekscytonów składał się z ujemnie naładowanego elektronu z jednej warstwy diselenku wolframu i dodatnio naładowanej dziury z drugiej warstwy. Po chwili elektron wracał w miejsce, w którym przed chwilą się znajdował, a ekscyton emitował foton z zakodowaną informacją kwantową.
Okazało się jednak, że poza fotonami i ekscytonami jest coś jeszcze. Powstawały fonony, kwazicząstki będące produktem wibracji atomowych.
W ten sposób po raz pierwszy zaobserwowano fonony w emiterze pojedynczych fotonów w dwuwymiarowym systemie atomowym. Bliższe analizy wykazały, że każdy foton emitowany w ekscytonu był powiązany z jednym lub więcej fononami. Naukowcy postanowili więc wykorzystać to zjawisko. Okazało się, że za pomocą napięcia elektrycznego mogą wpływać na energię interakcji pomiędzy fotonami i fononami. Zmiany te są mierzalne i można je kontrolować.
To fascynujące, że możemy tutaj obserwować nowy typ hybrydowej platformy kwantowej. Badając interakcję pomiędzy fononami a kwantowymi emiterami, odkryliśmy zupełnie nową rzeczywistość i nowe możliwości kontrolowania i manipulowania stanami kwantowymi. To może prowadzić do kolejnych odkryć w przyszłości, dodaje Ruoming Peng, jeden z autorów badań.
W najbliższym czasie naukowcy chcą stworzyć falowody, za pomocą których będą przechwytywali wygenerowane fotony i kierowali je w wybrane miejsca. Mają tez zamiar skalować swój system, by jednocześnie kontrolować wiele emiterów oraz fonony. W ten sposób poszczególne emitery będą mogły wymieniać informacje, a to będzie stanowiło podstawę do zbudowania kwantowego obwodu. Naszym ostatecznym celem jest budowa zintegrowanego systemu kwantowych emiterów, które mogą wykorzystywać pojedyncze fotony przesyłane za pomocą przewodów optycznych oraz fonony i używać ich do kwantowych obliczeń, wyjaśnia Li.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Metale ziem rzadkich wykorzystujemy w smartfonach, telewizorach, silnikach elektrycznych czy turbinach wiatrowych. Są one szeroko rozpowszechnione w skorupie ziemskiej. Jednak występują w tak niewielkiej koncentracji, że ich pozyskanie nie jest proste. To proces bardzo energochłonny, składający się z setek kroków oraz wymagający użycia toksycznych chemikaliów. Okazuje się jednak, że można go uprościć, uczynić tańszym, czystszym i bezpieczniejszym dzięki bakteriom wyizolowanym właśnie z pączków dębu szypułkowego.
Naukowcy z Pennsylvania State University odkryli mechanizm, za pomocą którego bakterie mogą selektywnie wybierać pomiędzy metalami ziem rzadkich. Zbadali, jak ten mechanizm działa i opracowali metodę szybkiego i efektywnego oddzielania podobnych pierwiastków w temperaturze pokojowej. Metoda ta może przyczynić się do powstania bardziej efektywnych, tańszych i przyjaznych dla środowiska technologii pozyskiwania i recyklingu pierwiastków ziem rzadkich.
Procesy biologiczne potrafią odróżnić metale ziem rzadkich od wszystkich innych metali, a teraz wykazaliśmy, że potrafią też odróżniać od siebie poszczególne metale ziem rzadkich, decydując, który jest dla nich użyteczny, a który nie, mówi główny autor badań, profesor Joseph Cotruvo. Wykazaliśmy, jak wykorzystać te właściwości do pozyskiwania i oddzielania pierwiastków ziem rzadkich. Niezależnie od tego, czy wydobywasz metale ziem rzadkich ze skał, czy też z poddawanych recyklingowi urządzeń, musisz je od siebie oddzielić, by uzyskać czysty metal. Nasza metoda, przynajmniej teoretycznie, może znaleźć zastosowanie niezależnie od metody pozyskiwania pierwiastka, dodaje uczony.
Do grupy pierwiastków ziem rzadkich zaliczamy 15 lantanowców oraz iterb i skand. Są one podobne pod względem chemicznym, mają podobne rozmiary i często występują razem. Znajdują jednak różne zastosowania technologiczne.
Obecnie podczas separacji poszczególnych pierwiastków ziem rzadkich wykorzystuje się olbrzymie ilości toksycznych chemikaliów, takich jak nafta czy fosfoniany. Proces separacji składa się nawet z setek poszczególnych kroków, koniecznych do uzyskania czystego metalu. Jeden problem to oddzielenie tych pierwiastków od skał. Gdy już to się uda, mamy drugi problem jakim jest oddzielenie poszczególnych metali od siebie. To największe i najbardziej interesujące wyzwanie, gdyż pierwiastki te są do siebie podobne. My wzięliśmy naturalnie występującą proteinę, którą nazywamy lanmoduliną (LanM) i przygotowaliśmy ją tak, by rozróżniała te pierwiastki, wyjaśnia Cotruvo.
Cotruvo i jego koledzy wiedzieli, że natura od milionów lat potrafi wykorzystywać pierwiastki ziem rzadkich. Dlatego właśnie w naturze poszukiwali rozwiązania problemu. Przed sześciu laty wyizolowali lanmodulinę z jednej z bakterii i wykazali, że 100 milionów razy lepiej łączy się ona z lantanowcami niż z innymi metalami. Później udowodnili, że można ją wykorzystać do uzyskania pierwiastków ziem rzadkich z mieszaniny, w której znajduje się wiele innych metali. Jednak ta pierwsza lanmodulina radziła sobie znacznie gorzej z zadaniem odróżniania poszczególnych pierwiastków ziem rzadkich od siebie.
Podczas najnowszych badań Cotruvo i jego zespół znaleźli setki naturalnych protein mniej więcej podobnych do pierwszej zidentyfikowanej przez sobie lanmoduliny. Jednak skupili się na jednej, która była wystarczająco różna – różnice dochodziły do 70% – spodziewając się, że będzie ona miała nieco różne właściwości. Wybrana przez nich lanmodulina występuje u bakterii Hansschlegelia quercus wyizolowanej z pączków dębu szypułkowego.
Okazało się, że gdy lanmodulina z tej bakterii łączy się z lżejszymi lantanowcami, jak neodym, tworzy silne dimery z identycznymi fragmentami lanmoduliny. Gdy zaś łączy się z cięższymi lantanowcami, jak dysproz, woli się nie łączyć, pozostając monomerem. To było zaskoczenie, gdyż pierwiastki te są bardzo podobnych rozmiarów. Tymczasem ta lanmodulina jest zdolna do rozróżnienia wielkości w skalach dla nas niewyobrażalnych, wynoszących bilionowe części metra. Wyczuwa różnice mniejsze niż 1/10 średnicy atomu, zachwyca się Cotruvo.
Gdy naukowcy szczegółowo przeanalizowali wpływ łączenia się z lantanowcami na tworzenie dimerów przez lanmodulinę, okazało się, że wszystko zależy od pojedynczego aminokwasu, który zajmuje inną pozycję przy łączeniu się z lekkim lantanowcem niż podczas łączenia się z cięższym lantanowcem. Pozycja tej proteiny decyduje o interakcji z innym monomerem, więc i o preferencji co do tworzenia dimerów lub pozostaniu monomerem. Gdy naukowcy usunęli ten aminokwas z lanmoduliny, proteina znacznie gorzej radziła sobie z odróżnianiem poszczególnych lantanowców.
Uzbrojeni w tę wiedzę naukowcy Penn State podjęli współpracę z uczonymi z Lawrence Livermore National Laboratory i wykazali, że lanmodulinę można wykorzystać do oddzielenia od siebie neodymu i dysprozu, najważniejszych składników magnesów stałych. A można to uczynić w jednym kroku, w temperaturze pokojowej, bez wykorzystywania żadnych organicznych rozpuszczalników.
Nie jesteśmy pierwszymi, którzy zauważyli, że dimeryzacja może być metodą na oddzielanie metali, szczególnie za pomocą syntetycznych molekuł. Jednak jako pierwsi zaobserwowaliśmy takie zjawisko występujące w naturze w odniesieniu do lantanowców. To badania podstawowe, które potencjalnie można wykorzystać w przemyśle. Odkrywamy sekrety natury i uczymy się od niej, jak być lepszymi chemikami, dodaje Cotruvo. Zdaniem uczonego, najnowsza praca to dopiero początek. Cotruvo uważa, że z czasem nauczymy się rozwiązywać najtrudniejszy z problemów – efektywnie oddzielać od siebie pierwiastki ziem rzadkich, które bezpośrednio ze sobą sąsiadują w układzie okresowym.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.