Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Aktywne mikrocząstki z oddziaływaniami sterowanymi zewnętrznym oświetleniem
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z jednych z najlepszych uczelni i instytutów badawczych z USA, Niemiec, Wielkiej Brytanii i Szwecji są pierwszymi, którzy prześledzili w czasie rzeczywistym ruch pojedynczego elektronu podczas całej reakcji chemicznej. Podczas niezwykłego eksperymentu wykorzystali ekstremalnie jasne źródło promieniowania X, Linac Coherent Light Source znajdujące się w SLAC National Accelerator Laboratory. Osiągnięcie to pozwoli lepiej zrozumieć reakcje chemiczne na najbardziej podstawowym poziomie i lepiej kontrolować wyniki takiej reakcji. Taką wiedzę można zaś wykorzystać podczas opracowywania materiałów i technologii przyszłych generacji.
Kluczową rolę w reakcjach chemicznych odgrywają elektrony walencyjne, znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce atomu. Ich obrazowanie jest jednak niezwykle trudne. Nie tylko – jak wszystkie elektrony – są niezwykle małe, ale tworzą wiązania chemiczne w czasie femtosekund, biliardowych części sekundy.
Uczeni od lat próbowali zobrazować elektron podczas tworzenia wiązań chemicznych. Dotychczas się nie udawało, gdyż niezwykle trudno jest wyizolować pojedynczy elektron z atomu, a jeszcze trudniej jest śledzić go w czasie femtosekund. Dopiero teraz wyczynu tego dokonał zespół, na którego czele stali Ian Gabalski, doktorant z Uniwersytetu Stanforda, profesor Philip Bucksbaum ze Stanford PULSE Institute oraz profesor Nanna List ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii.
Chcąc śledzić elektrony naukowcy stworzyli pojemnik z gęstym amoniakiem w stanie gazowym i wzbudzili gaz za pomocą ultrafioletowego lasera. W tym momencie włączono LCLS i promieniowanie rentgenowskie trafiło w elektrony i na nich się rozproszyło.
W większości molekuł liczba elektronów powłok wewnętrznych znacznie przewyższa liczbę elektronów walencyjnych. Jednak w niewielkich lekkich molekułach, jak amoniak – przypomnijmy, że składa się on z atomu azotu i trzech atomów wodoru – to elektrony walencyjne mają znaczną przewagę liczbową. A to oznacza, że sygnał pochodzący z promieniowania rentgenowskiego rozproszonego na elektronach walencyjnych jest wystarczająco silny, by obserwować właśnie ten rodzaj elektronów.
Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że wzbudzone za pomocą światła molekuły amoniaku przechodzą ze struktury, w której atomy tworzą piramidę, do takiej, w której leżą na jednej płaszczyźnie. W końcu jeden z atomów wodoru wyłamuje się z tej struktury i dochodzi do przegrupowania. Badacze byli teraz w stanie śledzić ruch elektronu związany z tą zmianą struktury.
Zwykle musimy zakładać, jak elektrony walencyjne poruszają się w czasie reakcji, jednak tutaj mogliśmy bezpośrednio zmierzyć ten ruch, mówi Nanna List, która wykonała obliczenia wyjaśniające zarejestrowane dane.
Ian Gabalski tak wyjaśnia znacznie dokonanej obserwacji: Gdy próbujesz zsyntetyzować molekułę nowego leku lub materiału, dochodzi do reakcji chemicznych, które przebiegają zarówno w sposób pożądany, jak i niepożądany. Te niepożądane reakcje skutkują pojawieniem się produktów ubocznych. Jednak gdy rozumiesz, jak to wszystko działa, możesz opracować metodę sterowania reakcją tak, by osiągać tylko oczekiwane rezultaty. To może być potężne narzędzie w całej dziedzinie chemii.
Eksperyment opisano szczegółowo na łamach Physical Review Letters.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Od wielu lat inżynierowie z Uniwersytetu Harvarda tworzą elastyczne robotyczne stroje dla osób z upośledzeniem ruchu w wyniku udarów czy chorób neurodegeneracyjnych. Stroje takie służą nie tylko pomocą przy wykonywaniu codziennych czynności, ale równie pomagają przy terapii, której celem jest odzyskanie mobilności. Jednak nie ma dwóch identycznych osób, a nasz sposób poruszania się jest wysoce zindywidualizowany. Szczególnie jest to widoczne u osób z zaburzeniami mobilności. To zaś powoduje, że bardzo trudno jest stworzyć urządzenie, które nadawałoby się dla różnych osób.
Rozwiązaniem tego problemu może być wykorzystanie systemów maszynowego uczenia się. Profesor Conor Walsh i jego zespół z John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) na Uniwersytecie Harvarda od sześciu lat współpracują z lekarzami z Massachusetts General Hospital oraz naukowcami z Harvard Medical School. Efektem współpracy ze specjalistą od udarów i rehabilitacji układu nerwowego doktorem Dawidem Linem oraz specjalistką od stwardnienia rozsianego doktor Sabriną Paganoni jest specjalna kamizelka zdolna do uczenia się ruchów indywidualnego pacjenta i pomagająca mu poruszać kończyną wymagającą rehabilitacji.
Problemem dla osób z upośledzeniami ruchomości jest na przykład wykonanie serii powtarzalnych ruchów, potrzebnych na przykład przy myciu zębów czy jedzeniu. Mają problemy z uniesieniem ramienia na odpowiednią wysokość, utrzymaniem go, ramię bardzo szybko się męczy, gdy trzeba takie ruchy powtarzać. Wstępne wersje samouczącej się kamizelki zwracały uwagę tylko na ruchy pacjenta. Okazało się, że gdy kamizelka pomogła unieść ramię, chorzy mieli problem z jego opuszczeniem. Niektórzy nie mieli siły, by przezwyciężyć opór robota. Dlatego też w nowej wersji dodano model fizyczny, który przewiduje minimalną siłę, potrzebną do pomocy w poruszeniu kończyny. Dzięki temu pacjenci nie tylko odczuwają pomoc jako bardziej naturalną, ale nie mają większych problemów z samodzielnym opuszczaniem ramienia.
Nowe urządzenie przetestowano na 9 osobach, 5 po udarach i 4 ze stwardnieniem zanikowym bocznym. Dla osób ze stwardnieniem rozsianym najważniejszymi aspektami są komfort, łatwość użycia i dostosowywanie się urządzenia do ich specyficznych potrzeb i wzorców ruchu. Personalizacja jest tutaj kluczowym elementem pozwalającym pacjentom na osiągnięcie niezależności i poprawienie jakości ich życia. Nasze urządzenie ma potencjał znaczącej poprawy funkcjonowania górnych kończyn, zwiększenia aktywności pacjentów oraz redukcji wykonywanych przez nich ruchów kompensujących, stwierdza Paganoni.
Testy wykazały, że już obecna wersja kamizelki jest w stanie z 94-procentową dokładnością odróżniać ruchy ramienia, pozwala chorym uzyskać większy zakres ruchu ramienia, łokcia i nadgarstka, dzięki czemu nie muszą oni całym ciałem kompensować niedoborów. To zaś powoduje, że ich sposób poruszania się jest bardziej dokładny i efektywny.
Więcej informacji: Personalized ML-based wearable robot control improves impaired arm function.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Virginia Tech wykazali, że lodowy dysk może sam się napędzać na odpowiednio przygotowanej powierzchni, podobnie do kropli wody, na którą działa zjawisko Leidenfrosta. Każdy z nas obserwował, że kropla wody upuszczona na gorącą powierzchnię, odparowuje przez długi czas, poruszając się po powierzchni. Amerykańscy uczeni odkryli, że kawałek lodu może samodzielnie napędzać się na powierzchni o wzorze przypominającym układ rybich ości.
Badaczy z Virginia Tech zainspirowała rozwiązana ledwie przed 11 laty zagadka wędrujących głazów z Racetrack Playa z kalifornijskiej Doliny Śmierci. Tam kry, przesuwające się pod wpływem wiatru, przesuwają kamienie. Jonathan Boreyko postanowił stworzyć takie warunki, by lód samodzielnie się przesuwał. Wraz z zespołem przez trzy lata prowadził eksperymenty. Gdy zaś udało się doprowadzić do samodzielnego ruchu lodowego dysku, przez kolejne dwa lata naukowcy tworzyli model wyjaśniający obserwowane zjawisko.
Kluczem do sukcesu była aluminiowa powierzchnia ponacinana we wzór rybich ości. Wystarczy, że powierzchnia zostanie rozgrzana powyżej temperatury topnienia – nie jest więc potrzebna, jak w zjawisku Leidenfrosta, bardzo wysoka temperatura – by lód zaczął się poruszać. Jest on napędzany przez kierunkowy przepływ wody w nacięciach na powierzchni. Początkowo kawałek lodu rusza bardzo wolno, by gwałtownie przyspieszyć.
Niezwykle interesujące okazało się spryskanie powierzchni aluminium cieczą hydrofobową. Naukowcy spodziewali się, że spowoduje to przyspieszenie lodu. Tymczasem dysk w ogóle się nie przesunął. To pozwoliło badaczom wyjaśnić obserwowane zjawisko. Doszli do wniosku, że na powierzchni pokrytej płynem hydrofobowym woda z roztapiającego się lodu zostaje ściśnięta i lodowy dysk utyka na krawędziach wyżłobień. Woda ciągle płynie kanalikami, ale lód nie jest już w stanie się na niej unosić.
Bez powłoki hydrofobowej woda po jednej stronie lodowego dysku tworzy kałużę, jej obecność powoduje nierównowagę napięcia powierzchniowego po obu stronach lodu, co powoduje, że zaczyna się on poruszać.
Boreyko uważa, że odkryte przezeń zjawisko być może posłuży do celów praktycznych. Wyobraźmy sobie, że wzór na powierzchni tworzy okręgi, a nie proste linie. Wówczas roztapiający się obiekt kręciłby się w kółko. A teram wyobraźmy sobie, że na powierzchni lodu umieszczamy magnesy. One też by się obracały, co można by wykorzystać do produkcji energii, stwierdza uczony.
Badania zostały opublikowane na łamach ACS Applied Materials & Interfaces.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego nagrali spontaniczne ruchy noworodków i niemowląt i połączyli je z komputerowym modelem mięśniowo-szkieletowym. W ten sposób przeanalizowali sposób komunikacji między mięśniami oraz odczucia w całym organizmie małego człowieka. Odkryli w tych spontanicznych ruchach wzorce interakcji między mięśniami i stwierdzili, że takie spontaniczne poruszanie się przygotowuje dziecko do wykonywania sekwencyjnych celowych ruchów w przyszłości.
Badania te pomogą lepiej nam zrozumieć zarówno rozwój sensomotoryczny człowieka, jego ewolucję, jak i wcześniej diagnozować zaburzenia rozwojowe.
Dzieci poruszają się już w łonie matki, wykonując pozornie bezcelowe ruchy, do których dochodzi bez żadnej stymulacji zewnętrznej. Jeśli udałoby się lepiej je rozumieć i opisać rolę, jaką odgrywają w rozwoju człowieka, można by na bardzo wczesnym etapie wychwytywać sygnały takich chorób jak na przykład dziecięce porażenie mózgowe.
Dotychczas badania nad rozwojem sensomotorycznym skupiały się na właściwościach kinetycznych, aktywności poszczególnych mięśni i stawów. Japońscy naukowcy przyjrzeli się aktywności całego ciała oraz przesyłanych przez nie sygnałów. Połączenie modelu mięśniowo-szkieletowy z wiedzą z zakresu neurologii pozwoliło zauważyć, że te spontaniczne ruchy, które wydają się być bezcelowe, przyczyniają się do koordynacji rozwoju sensomotorycznego.
Naukowcy najpierw nagrywali ruchy stawów u 12 noworodków młodszych niż 10 dni oraz u 10 niemowląt w wieku około 3 miesięcy. Następnie za pomocą modelu komputerowego badali aktywność mięśni i przepływ impulsów nerwowych w skali całego organizmu. Następnie za pomocą algorytmów oszacowali przebieg interakcji pomiędzy impulsami a aktywnością mięśni. Ze zdumieniem zauważyli, że ruchy dzieci były bardziej przypadkowe, niż dotychczas sądzono.
Byliśmy zaskoczeni tym, że podczas spontanicznego poruszania się, ruchy niemowląt „błądziły”, a dzieci wchodziły w różne interakcje sensomotoryczne. Nazwaliśmy to nawet „sensomotorycznym błądzeniem”. Obecnie przyjmuje się, że rozwój układu sensomotorycznego zależy od pojawiania się powtarzalnych interakcji, zatem im częściej wykonuje się dany ruch, tym lepiej jest on zapamiętywany. Jednak uzyskane przez nas wyniki wskazują, że niemowlęta rozwijają swój układ sensomotoryczny bazując na własnej ciekawości i eksploatacji świata, więc nie powtarzają po prostu tych samych działań, ale korzystają z szerokiego zestawu akcji. Ponadto nasze badania wskazują na istnienie związku pomiędzy wczesnymi spontanicznymi ruchami a spontaniczną aktywnością neuronów, mówi profesor Hoshinori Kanazawa.
Badania wspierają hipotezę mówiącą, że noworodki i niemowlęta uczą się synchronizowania mięśni i impulsów nerwowych poprzez ruchy całego ciała, bez założonego z góry celu czy planu. W niedalekiej przyszłości Kanazawa chce zbadać, jak „błądzenie sensomotoryczne” wpływa na rozwój takich umiejętności jak chodzenie czy sięganie po przedmioty oraz na bardziej złożone zachowania i wyższe funkcje poznawcze. Chce dzięki temu poszerzyć wiedzę dotyczącą jego głównego obszaru zainteresowań, czyli rehabilitacji niemowląt.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Polsko-brytyjsko-bułgarski zespół naukowców zaprezentował nową klasę aktywnych mikropływaków. By uzyskać pływaki, wystarczy schłodzić 3-składnikową mieszaninę, złożoną z kropli oleju, wody i środka powierzchniowo czynnego (surfaktanta). Powolne chłodzenie takiej zawiesiny prowadzi do powstania niesferycznych kropli. Później wytwarzają one nitkowate struktury przypominające bakteryjne wici, które indukują ruch. Opisane zmiany są w pełni odwracalne (uczeni podkreślają, że kluczem do tego są cykliczne zmiany temperatury otoczenia).
Autorami artykułu z pisma Nature Physics są specjaliści z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu w Cambridge, Queen Mary University of London oraz Uniwersytetu Sofijskiego im. św. Klemensa z Ochrydy.
Mikrokropelki w emulsji pływają, wytwarzając wici
Obserwacje można było prowadzić pod mikroskopem, ponieważ kropelki mają średnicę ok. 20 mikrometrów. Okazało się, że podczas chłodzenia krople oleju w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego mogą tworzyć włókna (jak już wspominaliśmy, przypominają one wici bakterii). Są one wytwarzane dzięki wytłaczaniu materiału z wnętrza kropli. Należy dodać, że początkowo włókno jest proste, lecz rosnąc, ulega niestabilności wyboczeniowej. Ostateczny kształt jest wynikiem współzawodnictwa jego elastyczności oraz hydrodynamicznego oporu płynu.
Podczas powolnego chłodzenia w temperaturach ok. 2-8°C cząsteczki surfaktanta w środku kropli zaczynają tworzyć fazę plastyczną i odkształcają mikrokrople w taki sposób, że w jednym lub paru miejscach na powierzchni zaczynają one wytwarzać wydłużone struktury. Tworzenie się włókien wywołuje ruch kropli. Proces jest całkowicie odwracalny - wystarczą cykliczne zmiany temperatury otoczenia.
Przed wytworzeniem wici krople przybierają wielokątne kształty. Dzieje się tak, gdyż surfaktant zamarza przy ich powierzchni.
Prezentujemy nową klasę aktywnych, elastycznych mikropływaków, wytwarzanych przez proste schłodzenie 3-składnikowej mieszaniny. Są one łatwe do kontrolowania, a ich wytworzenie jest tanie. Dzięki temu mamy proste narzędzie do badania dynamiki znacznie bardziej skomplikowanych układów biologicznych – wyjaśnia dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW. Zmieniając temperaturę zewnętrzną i kontrolując szybkość chłodzenia, jesteśmy w stanie zaobserwować powstawanie misternych struktur geometrycznych przypominających wici pływających mikroorganizmów. Surfaktanty użyte w tym badaniu są biokompatybilne, a zatem układ tego typu może być przydatny w dalszych badaniach dynamiki materii aktywnej, zwłaszcza w mieszaninach sztucznych i biologicznych mikropływaków, w celu badania ich kolektywnej dynamiki i oddziaływań pomiędzy pływakami - dodaje.
Naukowcy analizują deformacje włókien i wiążą je z ruchem kropelek. Korzystając z narzędzi teoretycznych do opisu dynamiki płynów w mikroskali, jesteśmy w stanie zrozumieć, dlaczego te włókna się tworzą, wyjaśniamy ich kształty i określamy ilościowo obserwowany ruch kropel - tłumaczy dr Lisicki.
Wieloletnia współpraca
Zespół prof. Nikolaia Denkova z Uniwersytetu Sofijskiego zsyntetyzował krople i przeprowadził eksperymenty (naukowców z Bułgarii wspierali na tym etapie uczeni z grupy dr. Stoyana Smoukova z Queen Mary University of London). Model teoretyczny opisujący dynamikę nowych cząstek aktywnych sporządzili dr Lisicki, a także dr Gabriele De Canio i prof. Eric Lauga z Uniwersytetu w Cambridge.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.