Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Czas perowskitów
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa japońskich naukowców z Kyoto University wykorzystała eksplozje do wyprodukowania... najmniejszych diamentowych termometrów, które można będzie wykorzystać do bezpiecznych pomiarów różnic temperatury w pojedynczej żywej komórce.
Gdy w sieci krystalicznej diamentu dwa sąsiadujące atomy węgla zostaną zastąpione pojedynczym atomem krzemu, pojawia się optycznie aktywne miejsce, zwane centrum krzem-wakancja (silicon-vacancy center, SiV). Od niedawna wiemy, że takie miejsca są obiecującym narzędziem do pomiaru temperatur w skali nanometrów. Atom krzemu, gdy zostanie wzbudzony laserem, zaczyna jasno świecić w wąskim zakresie światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni, a kolor tego światła zmienia się liniowo w zależności od temperatury otoczenia diamentu.
Zjawisko to jest bezpieczne dla żywych organizmów, nawet dla bardzo delikatnych struktur. To zaś oznacza, że można je wykorzystać podczas bardzo złożonych badań nad strukturami biologicznymi, np. podczas badania procesów biochemicznych wewnątrz komórki. Problem stanowi jednak sam rozmiar nanodiamentów. Uzyskuje się je obecnie różnymi technikami, w tym za pomocą osadzania z fazy gazowej, jednak dotychczas potrafiliśmy uzyskać nanodiamenty o wielkości około 200 nm. Są one na tyle duże, że mogą uszkadzać struktury wewnątrzkomórkowe.
Norikazu Mizuochi i jego zespół opracowali technikę pozyskiwania 10-krotnie mniejszych niż dotychczas nanodiamentów SiV. Japońscy naukowcy najpierw wymieszali krzem ze starannie dobraną mieszaniną materiałów wybuchowych. Następnie, w atmosferze wypełnionej CO2, dokonali eksplozji. Później zaś przystąpili do wieloetapowej pracy z materiałem, który pozostał po eksplozji. Najpierw za pomocą kwasu usunęli sadzę i metaliczne zanieczyszczenia, następnie rozcieńczyli i wypłukali uzyskany materiał w wodzie dejonizowanej, w końcu zaś pokryli uzyskane nanodiamenty biokompatybilnym polimerem. Na końcu za pomocą wirówki usunęli wszystkie większe nanodiamenty. W ten sposób uzyskali jednorodny zbiór sferycznych nanodiamentów SiV o średniej średnicy 20 nm. To najmniejsze wyprodukowane nanodiamenty SiV.
Mizouchi wraz z kolegami przeprowadzili serię eksperymentów, podczas których wykazali, że ich nanodiamenty pozwalają na precyzyjne pomiary temperatury w zakresie od 22 do 40,5 stopnia Celsjusza. Zakres ten obejmuje temperatury wewnątrz większości organizmów żywych. To zaś otwiera nowe możliwości badań struktur wewnątrzkomórkowych. Japończycy zapowiadają, że rozpoczynają prace nad zwiększeniem liczby SiV w pojedynczym nanodiamencie, co ma pozwolić na uzyskanie jeszcze większej precyzji pomiaru. Dzięki temu – mają nadzieję – w przyszłości można będzie badać poszczególne organelle.
Szczegóły badań zostały opisane na łamach Carbon.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Krzem, jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, stanowi podstawę nowoczesnego świata. Bez niego nie mielibyśmy ani paneli fotowoltaicznych ani układów scalonych. Jednak właściwości krzemu jako półprzewodnika są dalekie od ideału. Elektrony w krzemie mogą przemieszczać się z dużymi prędkościami, ale tego samego nie można już powiedzieć o dziurach, towarzyszkach elektronów. Ponadto krzem słabo przewodzi ciepło, przez co konieczne jest stosowanie kosztownych systemów chłodzenia.
Badacze z MIT, Uniwersytetu w Houston i innych instytucji wykazali właśnie, że krystaliczny sześcienny arsenek boru jest pozbawiony tych wad. Zapewnia dużą mobilność elektronom i dziurom oraz charakteryzuje się świetnym przewodnictwem cieplnym. Badacze twierdzą, że to najlepszy ze znanych nam półprzewodników, a może i najlepszy z możliwych półprzewodników.
Dotychczas jednak arsenek boru był wytwarzany i testowany w niewielkich ilościach wytwarzanych na potrzeby badań naukowych. Takie próbki były niejednorodne. Opracowanie metod ekonomicznej produkcji tego związku na skalę przemysłową będzie wymagało dużo pracy.
Już w 2018 roku David Broido, który jest współautorem najnowszych badań, teoretycznie przewidział, że arsenek boru powinien charakteryzować się świetnym przewodnictwem cieplnym. Później przewidywania te zostały dowiedzione eksperymentalnie. Wykazano m.in., że chłodzi on układy scalone lepiej niż diament. Okazało się równie, że materiał ten ma bardzo dobre pasmo wzbronione, którego istnienie jest niezbędną cechą półprzewodnika. Obecne badania dodały zaś do tego obrazu możliwość szybkiego transportu elektronów i dziur, zatem arsenek boru wydaje się mieć wszystkie cechy półprzewodnika idealnego.
To bardzo ważna cecha, gdyż w półprzewodnikach mamy jednocześnie ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli więc budujemy z nich urządzenie elektroniczne, chcemy, by zarówno elektrony jak i dziury napotykały jak najmniejszy opór, mówi profesor Gang Chen z MIT.
Krzem i inne półprzewodniki, jak np. używany do budowy laserów arsenek galu, charakteryzuje się dobrą mobilnością elektronów, ale nie dziur. Poważnym problemem jest też rozpraszanie ciepła. Ciepło to poważny problem w elektronice. W samochodach elektrycznych stosuje się z tego powodu węglik krzemu. Ma on co prawda mniejszą mobilność elektronów niż krzem, ale za to jego przewodnictwo cieplne jest 3-krotnie lepsze. Wyobraźmy sobie więc, co moglibyśmy osiągnąć stosując arsenek boru, który ma 10-krotnie lepsze przewodnictwo cieplne i większość mobilność dziur oraz elektronów niż krzem. To by wszystko zmieniło, dodaje doktor Jungwoo Shin z MIT.
Wyzwaniem jest obecnie opracowanie metod produkcji arsenku boru w ilościach, które można by praktycznie wykorzystać. Obecne metody produkcyjne pozwalają na uzyskanie bardzo niejednorodnego materiału, z którego naukowcy wydzielają niewielkie jak najbardziej jednorodne fragmenty, by badać je w laboratoriach.
Wiele wskazuje na to, że arsenek boru jest półprzewodnikiem (niemal) idealnym, ale nie wiemy, czy będziemy w stanie go wykorzystać, dodaje Chen. Krzem stanowi podstawę całego przemysłu półprzewodnikowego, zatem od opracowania metod masowej produkcji jednorodnego arsenku boru zależy, czy trafi on pod strzechy. Badania nad krzemem trwały całe dziesięciolecia, zanim dowiedzieliśmy się, jak uzyskiwać ten materiał o czystości dochodzącej do 99,99999999%. Arsenek boru ma jeszcze przed nami wiele tajemnic. Zanim wyprodukujemy z niego elektronikę musimy np. poznać jego długookresową stabilność.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Najnowszy numer Nature przynosi przełomowe informacje na temat praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) wykazali, że możliwe jest stworzenie niemal wolnego od błędów krzemowego procesora kwantowego. Dzisiejsza publikacja pokazuje, że obliczenia przeprowadzane przez nasz procesor były w ponad 99% wolne od błędów. Gdy odsetek błędów jest tak mały, możliwym staje się ich wykrywanie i korygowanie w czasie rzeczywistym. A to oznacza, że można wybudować skalowalny komputer kwantowy wykonujący wiarygodne obliczenia, wyjaśnia profesor Andrea Morello z UNSW.
Morello stoi na czele zespołu złożonego z naukowców z Australii, USA, Japonii i Egiptu. Ich celem jest zbudowanie uniwersalnego komputera kwantowego, czyli maszyny, której możliwości obliczeniowe nie będą ograniczone do jednego rodzaju zadań. Badania, których wyniki właśnie opublikowaliśmy, to bardzo ważny krok w tym kierunku, podkreśla uczony.
Jednak, co niezwykle ważne, artykuł Morello i jego zespołu to jeden z trzech tekstów z Nature, których autorzy informują o niezależnym od siebie osiągnięciu niskiego odsetka błędów w opartych na krzemie procesorach kwantowych.
Z najnowszego Nature, którego redakcja zdecydowała się na zilustrowanie kwantowego przełomu na okładce, dowiadujemy się, że wiarygodność operacji obliczeniowych na jednym kubicie osiągnięta przez Morello i jego zespół wyniosła 99,95%, a operacji na dwóch kubitach – 99,37%. Niezależnie od nich zespół z holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft, prowadzony przez Lievena Vandersypena osiągnął wiarygodność rzędu 99,87% przy operacjach na jednym kubicie i 99,65% podczas operacji dwukubitowych. W trzecim z artykułów czytamy zaś o pracach naukowców z japońskiego RIKEN, w trakcie których grupa Seigo Taruchy mogła pochwalić się wiarygodnością 99,84% przy działaniach na jednym kubicie i 99,51% przy pracy z dwoma kubitami.
Wydajność procesorów z UNSW i Delft została certyfikowana zaawansowaną metodą gate set tomography opracowaną przez amerykańskie Sandia National Laboratories, a wyniki certyfikacji zostały udostępnione innym grupom badawczym.
Zespół profesora Morello już wcześniej wykazał, że jest w stanie utrzymać kwantową informację w krzemie przez 35 sekund. W świecie kwantowym 35 sekund to wieczność. Dla porównania, słynne nadprzewodzące komputery kwantowe Google'a i IBM-a są w stanie utrzymać taką informację przez około 100 mikrosekund, czyli niemal milion razy krócej, zauważa Morello. Osiągnięto to jednak izolując spiny (kubity) od otoczenia, co z kolei powodowało, że wydaje się niemożliwym, by kubity te mogły wejść ze sobą w interakcje, a więc nie mogły wykonywać obliczeń.
Teraz z artykułu w Nature dowiadujemy się, że udało się pokonać problem izolacji wykorzystując elektron okrążający dwa jądra atomu fosforu.
Gdy masz dwa jądra połączone z tym samym elektronem, może zmusić je do wykonywania operacji kwantowych, stwierdza doktor Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów eksperymentów. Gdy nie operujesz na elektronie, jądra te mogą bezpiecznie przechowywać kwantowe informacje. Teraz jednak mamy możliwość, by jądra wchodziły w interakcje za pośrednictwem elektronu i w ten sposób możemy wykonywać uniwersalne operacje kwantowe, które mogą rozwiązywać każdy rodzaj problemów obliczeniowych, wyjaśnia Mądzik.
Gdy splączemy spiny z elektronem, a następnie możemy elektron ten przesunąć w inne miejsce i splątać go z kolejnymi kubitami, tworzymy w ten sposób duże macierze kubitów zdolnych do przeprowadzania solidnych użytecznych obliczeń, dodaje doktor Serwan Asaad.
Jak podkreśla profesor David Jamieson z University of Melbourne, atomy fosforu zostały wprowadzone do krzemowego procesora za pomocą tej samej metody, jaka jest obecnie używana w przemyśle półprzewodnikowym. To pokazuje, że nasz kwantowy przełom jest kompatybilny z obecnie używanymi technologiami.
Wszystkie obecnie używane komputery wykorzystują systemy korekcji błędów i redundancji danych. Jednak prawa mechaniki kwantowej narzucają ścisłe ograniczenia na sposób korekcji błędów w maszynach kwantowych. Konieczne jest osiągnięcie odsetka błędów poniżej 1%. Dopiero wtedy można zastosować kwantowe protokoły korekcji błędów. Teraz, gdy udało się ten cel osiągnąć, możemy zacząć projektować skalowalne krzemowe procesory kwantowe, zdolne do przeprowadzania użytecznych wiarygodnych obliczeń, wyjaśnia Morello.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Pu Zhang i jego koledzy z Binghamton University stworzyli sieć krystaliczną z płynnego metalu, która po zniszczeniu a następnie podgrzaniu powraca do oryginalnego kształtu. Metal utrzymywany jest przez krzemową skorupę i może znaleźć zastosowanie w robotyce, elektronice czy przemyśle kosmicznym. Na myśl przychodzi też od razu robot T-1000 z Terminatora 2.
Niezwykła konstrukcja powstała ze specjalnej mieszaniny bizmutu, indu i cyny, zwanej stopem Fieldsa.
Stop taki ma wiele niezwykłych właściwości, np. jego temperatura topnienia wynosi zaledwie 62 stopnie Celsjusza. Oznacza to, że topi się on pod wpływem gorącej wody. Stop Fieldsa już jest stosowany np. jako chłodziwo w zaawansowanych reaktorach atomowych.
Zhang i jego zespół wykorzystali złożony proces produkcyjny, składający się m.in. z druku 3D, odlewania w próżni czy nakładanie powłok ochronnych, w celu połączenia stopu z krzemową skorupą. To właśnie ta skorupa pozwala sieci krystalicznej stopu na zapamiętanie kształtu i powrót do niego po ogrzaniu.
Bez skorupy całość nie zadziała. Metal sobie popłynie. To ten krzemowy szkielet kontroluje kształt i integralność całości, mówi Zhang.
Stop Fieldsa jest niezwykle wytrzymały i stabilny oraz znacznie sztywniejszy niż większość polimerów zapamiętujących kształt. Główną zaletą wynalazku Zhanga jest możliwość skruszenia materiału np. na czas transportu czy przechowywania, a później, po ogrzaniu, jego powrót do oryginalnego kształtu. Badacze mówią, że świetnie sprawdzi się on np. podczas misji kosmicznych. Można będzie robić z niego czasze anten czy elementy dużych struktur, które na czas transportu np. na Księżyc zostaną ciasno upakowane, a na miejscu łatwo odzyskają oryginalny kształt.
Materiał taki przyda się też do budowy poduszek amortyzujących lądowanie pojazdu kosmicznego, gdyż podczas kruszenia absorbuje duże ilości energii. Takie poduszki zwykle tworzone są z aluminium lub stali. Po wylądowaniu na Księżycu poduszka amortyzuje pojazd, absorbuje energię i się odkształca. I to koniec. Może być użyta tylko raz, zauważą Zhang. Tymczasem jego wynalazek jest wielokrotnego użytku. Używając stopu Fieldsa w r roku poduszki możemy odkształcić czy skruszyć metal podczas lądowania, a później go podgrzać i odzyskać oryginalny kształt, dodaje uczony.
Carmel Majidi, inzynier z Carnegie Mellon University przypomina, że rośnie zainteresowanie maszynami i strukturami, które mogą zmieniać kształt, sztywność czy odporność na obciążenia. Tego typu struktury i urządzenia znajdą zastosowanie w robotach naśladujących organizmy żywe, ubieralnych systemach komputerowych dostosowujących się do ruchu ciała czy egzoszkieletach. Praca Zhanga to wspaniały przykład, pokazujący, że do tego celu można wykorzystać metale o niskiej temperaturze topnienia.
Wynalazek grupy Zhanga opisano w artykule Multifunctional liquid metal lattice materials through hybrid design and manufacturing.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) we współpracy z Wydziałem Chemicznym Politechniki Warszawskiej opracowali nową, bezrozpuszczalnikową metodę enkapsulacji cząsteczek leków w materiałach porowatych typu MOF (ang. Metal-Organic Framework).
W obecnych czasach przemysł farmaceutyczny kładzie duży nacisk na poszukiwanie nowych form nośników leków, które usprawniłyby ich precyzyjność i pozwoliły kontrolować czas uwalniania. Ze względu na dużą powierzchnię właściwą i możliwość dostosowania kształtu, wielkości i funkcjonalności porów, bardzo obiecującą klasą materiałów, które mogą stanowić platformę do przenoszenia leku w organizmie, są organiczno-nieorganiczne hybrydowe materiały typu MOF. Stosowane obecnie metody wypełniania porów materiałów MOF cząsteczkami leku polegają na nasączaniu uprzednio zsyntezowanego i aktywowanego materiału MOF w odpowiednio przygotowanych roztworach leków. Ta z pozoru prosta czynność jest czasochłonna i obejmuje pojedyncze operacje: syntezę i aktywację materiału MOF, nasączanie, przemywanie i suszenie. Otrzymane w ten sposób materiały mają mniejszą pojemność niż obecnie stosowane nośniki leków - mezoporowate krzemionki czy nośniki organiczne.
Od wielu lat mój Zespół prowadzi intensywne badania nad projektowaniem i syntezą molekularnych prekursorów oraz ich kontrolowaną transformacją do hybrydowych materiałów funkcjonalnych. Realizujemy to strategią typu "bottom-up", wykorzystując zarówno klasyczne metody rozpuszczalnikowe, jak i przyjazne środowisku metody mechanochemiczne - mówi prof. Janusz Lewiński.
Naukowcy z IChF PAN we współpracy z kolegami z Wydziału Chemicznego PW opracowali nową, prostą i bezrozpuszczalnikową metodę enkapsulacji leków w materiałach typu MOF, w której zastosowany kompleks metalu działa zarówno jako prekursor leku, jak i element budulcowy materiału MOF. Według naukowców, wykorzystanie tej metody pozwoliło w sposób znaczący usprawnić enkapsulację cząsteczek leku w materiałach typu MOF oraz otworzyć drogę do otrzymywania wielu innych kompozytów typu "lek@MOF".
To jest szybka i prosta procedura, w której reakcja mechanochemiczna bez użycia rozpuszczalnika pozwala na otrzymanie kompozytu "lek@MOF" nawet w 20 min - mówi dr Daniel Prochowicz, współautor pracy.
Synteza mechanochemiczna jest bardzo prosta. Do przeprowadzenia reakcji potrzebujemy stałych prekursorów i elektrycznego młyna. Podczas mielenia substratów siła mechaniczna robi za nas całą robotę - mówi Jan Nawrocki, doktorant w grupie prof. Lewińskiego oraz pierwszy autor publikacji.
Naukowcy podkreślają, że opracowana przez nich metoda z użyciem miedziowego klastera ibuprofenowego jest dopiero początkiem badań nad bardziej biokompatybilnymi materiałami, opartymi między innymi na cyrkonie i żelazie.
Droga, która pozwoli na wykorzystanie materiałów typu MOF w przemyśle farmaceutycznym, jest zapewne długa i kręta, jednak jeśli zostaną one wprowadzone na rynek, to nasza metoda, ze względu na swoją prostotę wytwarzania, będzie bardzo korzystna z ekonomicznego punktu widzenia - mówi Prochowicz.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.