Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Stworzyli lód tak elastyczny, że można go niemal zawijać w okręgi
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Lód w przestrzeni kosmicznej jest inny, niż dotychczas sądzono, wynika z badań przeprowadzonych przez uczonych z University College London i University of Cambridge. Ich zdaniem, zawiera on niewielkie kryształki i nie jest całkowicie nieuporządkowanym amorficznym materiałem, jak woda. Przez dekady uważano, że lód poza Ziemią nie posiada struktury, jest amorficzny, gdyż znacznie niższe niż na Ziemi temperatury nie zapewniają wystarczająco dużo energii, by podczas zamarzania uformowały się kryształy.
Autorzy nowych badań przyjrzeli się najpowszechniej występującej formie lodu we wszechświecie, amorficznemu lodowi o niskiej gęstości, który występuje w kometach, na lodowych księżycach czy w chmurach materiału, z których powstają gwiazdy i planety. Przeprowadzone przez nich symulacje komputerowe wykazały, że lód taki najlepiej odpowiada wynikom analiz gdy nie jest w pełni amorficzny, a zawiera niewielkie kryształki o średnicy 3 nanometrów. Naukowcy przeprowadzili też badania, w czasie których krystalizowali (np. poprzez podgrzewanie) uzyskane w różny sposób próbki amorficznego lodu. Zauważyli, że ostateczna struktura krystaliczna lodu zależała od tego, w jaki sposób został oryginalnie utworzony. Stwierdzili też, że gdyby taki lód był w pełni amorficzny, to nie zachowałby żadnych informacji o swojej wcześniejszej strukturze.
Teraz mamy dobre pojęcie, jak na poziomie atomowym wygląda najbardziej rozpowszechniony lód we wszechświecie. To bardzo ważna wiedza, gdyż lód bierze udział w wielu procesach kosmologicznych, na przykład w formowaniu się planet, ewolucji galaktyk czy przemieszczaniu materii we wszechświecie, wyjaśnia główny autor badań doktor Michael B. Davies.
Lód na Ziemi to kosmologiczny ewenement z powodu wysokich temperatur panujących na naszej planecie. Ma dzięki nim uporządkowaną naturę. Uznawaliśmy, że lód w pozostałych częściach wszechświata jest jak unieruchomiona ciekła woda, nieuporządkowana struktura. Nasze badania pokazują, że nie jest to do końca prawda. I każą zadać pytanie o amorficzne struktury w ogóle. Takie materiały są niezwykle ważne dla nowoczesnych technologii. Na przykład światłowody powinny być amorficzne. Jeśli jednak zawierają niewielkie kryształki, a my będziemy potrafili je usunąć, poprawimy ich wydajność, dodaje profesor Christoph Salzmann.
Badania prowadzono zarówno metodą symulacji komputerowych, jak i tworząc amorficzny lód. Metodami obliczeniowymi sprawdzano dwa rodzaje wirtualnego lodu. Jeden powstawał podczas obniżania temperatury wirtualnych molekuł wody do -120 stopni Celsjusza. W zależności od tempa schładzania otrzymany lód składał się ze struktury krystalicznej i amorficznej w różnych proporcjach. Okazało się, że właściwości wirtualnego lodu zawierającego 20% struktury krystalicznej i 80% amorficznej blisko odpowiadają właściwościom prawdziwego lodu amorficznego o niskiej gęstości, który badano metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Drugi rodzaj lodu składał się z niewielkich ściśniętych razem kryształków pomiędzy którymi symulowano istnienie struktury amorficznej. Taki lód wykazywał największe podobieństwo do prawdziwego kosmicznego lodu gdy zawierał 25% kryształków.
Natomiast podczas badań eksperymentalnych uzyskiwano amorficzny lód o niskiej gęstości albo poprzez osadzanie pary wodnej na bardzo zimnej powierzchni, albo podgrzewając amorficzny lód o dużej gęstości. Następnie tak uzyskany amorficzny lód o niskiej gęstości był delikatnie podgrzewany, by miał wystarczająco dużo energii do utworzenia kryształów. Różnice w uzyskanej w ten sposób strukturze zależały od pierwotnej metody wytworzenia lodu. W ten sposób naukowcy doszli do wniosku, że gdyby lód taki był całkowicie amorficzny, nie zachowałby pamięci o swojej pierwotnej strukturze.
Lód to potencjalnie bardzo przydatny materiał w kosmosie. Mógłby posłużyć do ochrony pojazdu kosmicznego przed promieniowaniem czy do wytworzenia paliwa. Dlatego musimy lepiej rozumieć jego różne rodzaje i właściwości, podsumowuje doktor Davies.
Źródło: Low-density amorphous ice contains crystalline ice grains, https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.112.024203
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Orbitalny moment pędu (OAM) elektronu uważany jest za mniej interesującą jego właściwość, gdyż w ciałach stałych zazwyczaj ulega on osłabieniu w wyniku interakcji z otaczającym elektron materiałem. Naukowcy z Centrum Badawczego Jülich (Forschungszentrum Jülich) wykazali właśnie, że w niektórych kryształach nie tylko zostaje on zachowany, ale można go też kontrolować. Jest to możliwe dzięki chiralności struktury krystalicznej. A odkrycie może doprowadzić do stworzenia nowej klasy urządzeń elektronicznych o wyjątkowej odporności na zakłócenia i dużej efektywności energetycznej.
Główną właściwością elektronu wykorzystywaną w klasycznej elektronice jest jego ładunek elektryczny. Nowoczesne technologie – jak technologie kwantowe czy spintronika – korzystają ze spinu elektronu. Jak jednak wynika z badań uczonych z Jülich, przyszłością elektroniki może być też orbitalny moment pędu, który opisuje, w jaki sposób elektron porusza się w atomie. W ten sposób może narodzić się orbitronika, która uzupełni i poszerzy możliwości, jakie dają nam elektronika i spintronika.
Przez dekady spin był uznawany za kluczowy parametr nowych technologii. Jednak orbitalny moment pędu również ma wielki potencjał jako nośnik informacji i jest przy tym znacznie bardziej stabilny, wyjaśnia doktor Christian Tusche z Instututu Petera Grünberga w Centrum Badawczym Jülich.
Jak już wspomnieliśmy, OAM jest rzadko obserwowany w kryształach, gdyż jest zwykle w nich tłumiony. Jednak naukowcy z Niemiec, we współpracy z kolegami z Tajwanu, USA, Włoch i Japonii wykazali właśnie, że w materiałach chiralnych, jak badany przez nich monokrzemek kobaltu (CoSi), sytuacja jest inna. Nasze badani pokazują, że struktura takiego kryształu bezpośrednio wpływa na moment pędu elektronu w sposób, który możemy bezpośrednio mierzyć. To otwiera nowe możliwości w dziedzinie badań materiałowych i przetwarzania informacji, dodaje fizyk eksperymentalny doktor Ying-Jiun Chen.
W przyszłości informacja może być przechowywana i przekazywane nie tylko poprzez ładunek i spin elektronu, ale również przez kierunek i orientację jego orbitalnego momentu pędu. Użycie OAM jako nośnika informacji wydaje się przekonujące. Można też będzie wykorzystać kołowo spolaryzowane światło do selektywnego wpływania na chiralność kryształów i uzyskania w ten sposób kontrolowanego światłem niemechanicznego przełącznika, alternatywy dla tranzystora. Co więcej połączenie OAM i spinu może pozwolić na zintegrowanie orbitroniki i spintroniki w hybrydowych maszynach kwantowych, stwierdza profesor Claus Michael Schneider, dyrektor Instytutu Petera Grünberga.
Źródło: Orbital Topology of Chiral Crystals for Orbitronics
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przez 80 lat fizycy próbowali zrealizować pomysł pioniera mechaniki kwantowej, Eugene'a Wignera, który w 1934 roku zaproponował stworzenie niezwykłego rodzaju materii – kryształu zbudowanego z elektronów. W ubiegłym miesiącu na łamach Nature poinformowano o pierwszych eksperymentalnych obserwacjach kryształów Wignera.
Pozornie może wydawać się, że zbudowanie kryształu z elektronów nie powinno być trudne. Odpychają się one od siebie, chłodzenie zmniejszyłoby ich poziom energetyczny, więc powinny tworząc odpowiedni kształt, tak jak zastyga schłodzona woda. Problem jednak w tym, że zimne elektrony podlegają zasadom mechaniki kwantowej i zachowują się jak fala. Nie zastygają w miejscu w uporządkowanej postaci, a poruszają się i zderzają ze sobą.
Zespół z Uniwersytetu Harvarda, na czele którego stał Hongkun Park, uzyskał kryształ Wignera niemal przypadkiem. Uczeni badali, jak zachowują się elektrony w bardzo cienkich warstwach półprzewodnika, oddzielonych od siebie warstwami materiału, przez który elektrony nie mogą się przedostać. Naukowcy schłodzili swój materiał poniżej -230 stopni Celsjusza i eksperymentowali z różną liczbą elektronów w każdej z warstw. W pewnym momencie zauważyli, że gdy w warstwie znajduje się określona liczba elektronów, przestają się one poruszać. Z jakiegoś powodu elektrony w półprzewodniku nie mogły się ruszyć. To nas zaskoczyło, mówi You Zhou.
Autorzy badań zwrócili się o pomoc w wyjaśnieniu tego fenomenu do teoretyków, a ci przypomnieli sobie, że Wigner obliczył, iż elektrony w cienkim dwuwymiarowym materiale powinny utworzyć trójkątny wzorzec, co uniemożliwi im poruszanie się.
W krysztale uzyskanym przez grupę Zhou siły elektrony ułożyły się w regularny krystaliczny wzór dzięki odpychaniu się zarówno w ramach jednej warstwy, jak i pomiędzy warstwami. Siła odpychania uniemożliwiła im poruszanie się. Jednak takie zachowanie elektronów miało miejsce jedynie wtedy, gdy liczba elektronów w warstwach do siebie dopasowana. Mniejsze trójkąty w jednej warstwie, musiały dokładnie wypełniać przestrzeń wewnątrz większych kryształów w innej warstwie.
Gdy naukowcy z Harvarda zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z kryształem Wignera, doprowadzili do jego „rozpuszczenia się”, wymuszając przejście fazowe, jednak bez dodatkowego ogrzewania. Teoretycy już wcześniej opisywali warunki konieczne do zaistnienia takiego przejścia. Teraz udało się je uzyskać. To naprawdę ekscytujące, obserwować w praktyce to, o czym czytaliśmy w podręcznikach, mówi Park.
Naukowcy oświetlali warstwy półprzewodnika laserem, co doprowadziło do powstania ekscytonu. Następnie materiał albo odbijał albo emitował światło. Analiza tego światła pozwalała stwierdzić, czy ekscytony wchodziły w interakcje ze zwykłymi swobodnymi elektronami czy też elektronami zamrożonymi w kryształ Wignera. Zdobyliśmy bezpośrednie dowody na istnienie kryształu Wignera o trójkątnej strukturze, mówi Park.
Zespół z Uniwersytetu Harvarda chce wykorzystać swoje osiągnięcie do badań kryształów Wignera i silnie skorelowanych elektronów. Chcą m.in. odpowiedzieć na pytanie, co się dzieje, gdy kryształ Wignera rozpuszcza się. Ponadto już teraz udało im się zaobserwować kryształ w wyższych temperaturach i z większą liczbą elektronów, niż przewidywali to teoretycy. Zbadanie, dlaczego tak się stało może dać wiele odpowiedzi na pytania o zachowania silnie skorelowanych elektronów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Międzynarodowy zespół naukowy, w skład którego weszli uczeni ze Szwajcarskiego Instytutu Technologicznego w Zurichu (ETH Zurich), wykazał, że niemal wszystkie ziemskie lodowce tracą masę, a tempo utraty lodu przyspiesza. To najszerzej zakrojone i najbardziej dokładne badania tego typu. To również pierwsze badania, w których uwzględniono wszystkie lodowce na Ziemi, z wyjątkiem tych znajdujących się na Grenlandii i Antarktydzie.
Autorzy badań uwzględnili w swoich analizach niemal 220 000 lodowców. Stwierdzili, że w latach 2000–2019 średnio każdego roku traciły one 267 gigaton (miliardów ton) lodu. To ilość wystarczająca, by każdego roku całą powierzchnię Polski zalała warstwa wody o głębokości niemal 1 metra. Widoczne jest też wyraźne przyspieszenie tempa utraty lodu. O ile bowiem w latach 200–2004 średnie roczne tempo utraty lodu wynosiło 227 GT, to w latach 2015–2019 było to 298 gigaton.
Topnienie lodowców jest odpowiedzialne za 21% wzrostu poziomu oceanów – czyli za 0,74 mm przyrostu rocznie. Za połowę tego przyrostu odpowiada zwiększenie objętości wody spowodowane jej wyższą temperaturą, a pozostała 1/3 przyrostu to wina lodowców Grenlandii, Antarktydy oraz zmian ilości wody przechowywanej na lądach.
Najszybciej tracą masę lodowce Alaski, Islandii i Alp. Zmiany klimatu bardzo silnie wpływają tez na lodowce w Pamirze, Hindukuszu i Himalajach. Szczególnie niepokojące jest to, co dzieje się w Himalajach. W porze suchej woda z lodowców jest ważnym źródłem zasilającym wielkie rzeki: Ganges, Indus i Bramaputrę. Obecnie przyspieszone topnienie tych lodowców działa jak bufor, dostarczając wodę ludziom żyjącym w regionie. Jeśli jednak tempo topnienia himalajskich lodowców będzie nadal przyspieszało, to w ciągu najbliższych dekad ludzie w Indiach i Bangladeszu doświadczą niedoborów wody i żywność, ostrzega Romain Hugonnet, główny autor badań, pracownik ETH Zurich i Uniwersytetu w Tuluzie.
Naukowcy ze zdziwieniem zauważyli, że istnieją obszary, na których w latach 2000–2019 utrata masy lodowców... spowolniła. Obszary te to wschodnie wybrzeże Grenlandii, część Islandii i Skandynawii. specjaliści uważają, że przyczyną takiego stanu rzeczy jest anomalia pogodowa na Północnym Atlantyku, która spowodowała, że w latach 2010–2019 pojawiły się tam niższe temperatury i niższe opady, co spowolniło utratę lodu. Jest to jednak prawdopodobnie zjawisko przejściowe. Zauważono bowiem, że w innym miejscu świata dochodzi do zaniku podobnej anomalii. Tak zwana anomalia Karakorum spowodowała, że do roku 2010 lodowce Karakorum pozostawały stabilne, a w niektórych przypadkach nawet się rozrastały. Obecnie jednak tracą one masę podobnie jak inne lodowce.
Na potrzeby analizy wykorzystano zdjęcia wykonywane od 1999 roku przez satelitę Terra. Okrąża on Ziemię co 100 minut na wysokości niemal 700 kilometrów. Naukowcy wykorzystali wszystkie wykonane przez niego zdjęcia i analizowali je przez 18 miesięcy za pomocą superkomputera na University of Northern British Columbia. W pracach, obok naukowców z Zurichu i Tuluzy, brali udział specjaliści z Uniwersytetów w Oslo, Ulsterze, Northern British Columbia i Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Badań nad Lasem, Śniegiem i Krajobrazem.
Artykuł Accelerated global glacier mass loss in the early twenty-first century został opublikowany na łamach Nature.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Do rejestrowania śladów cząstek jądrowych od niedawna używa się kryształów fluorku litu. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykazali, że kryształy te świetnie nadają się również do detekcji przelotów wysokoenergetycznych jonów pierwiastków nawet tak ciężkich jak żelazo.
Gdy cząstka jądrowa wpada do wnętrza kryształu, oddziałuje z atomami bądź cząsteczkami jego sieci krystalicznej. W pewnych kryształach i w odpowiednich warunkach powstałe uszkodzenia mogą być źródłem słabego światła – luminescencji. W Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie od lat prowadzi się badania nad materiałami wykazującymi tego typu właściwości. Jednym z nich jest fluorek litu LiF. Jego kryształy zostały niedawno użyte do detekcji niskoenergetycznych cząstek, takich jak cząstki alfa (jądra helu). W swojej najnowszej publikacji na łamach czasopisma Journal of Luminescence krakowscy fizycy wykazują, że obszar zastosowań fluorku litu rozciąga się także na detekcję cząstek o znacznych energiach i obejmuje nawet całkowicie odarte z elektronów jony tak ciężkich pierwiastków jak żelazo 56Fe.
Detektory z fluorku litu to po prostu kryształy. W przeciwieństwie do urządzeń detekcyjnych pozwalających monitorować ślady cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego, są one detektorami pasywnymi. Innymi słowy, działają jak klisze fotograficzne. Po wystawieniu kryształów na promieniowanie musimy użyć mikroskopu fluorescencyjnego by się dowiedzieć, jakie ślady udało się zarejestrować - mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN).
Fluorescencyjne detektory śladów cząstek jądrowych są znane mniej więcej od dekady. Wykonywano je jak dotąd jedynie z odpowiednio domieszkowanych kryształów tlenku glinu Al2O3, w których pod wpływem promieniowania dochodziło do utworzenia trwałych centrów barwnych. Tak powstałe centra po wzbudzeniu światłem o odpowiedniej długości emitują fotony o niższych energiach, pozwalające zobaczyć pod mikroskopem ślad cząstki. W przypadku fluorku litu wzbudzenia dokonuje się światłem niebieskim, a emisja fotonów zachodzi w zakresie czerwonym.
Detektory z domieszkowanego tlenku glinu wymagają drogiego mikroskopu konfokalnego, z wiązką laserową i skanowaniem. Ślady w kryształach fluorku litu można zobaczyć za pomocą znacznie tańszego, zwykłego mikroskopu fluorescencyjnego - mówi prof. Bilski i podkreśla: Ślady zarejestrowane w kryształach bardzo dokładnie odwzorowują tor lotu cząstki. W innych detektorach, takich jak choćby znana wszystkim komora Wilsona, dochodzi do poszerzenia śladu. W przypadku kryształów LiF granicą rozdzielczości jest jedynie limit wynikający z dyfrakcji.
O ile brak możliwości obserwacji śladów cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego trudno nazwać zaletą, o tyle nie zawsze musi być wadą. Na przykład w dozymetrii osobistej potrzebne są detektory pozwalające stwierdzić, na jaką dawkę promieniowania został narażony ich użytkownik. Urządzenia te muszą być przede wszystkim małe i niekłopotliwe w użyciu. Milimetrowych rozmiarów krystaliczne płytki fluorku litu spełniają ten wymóg wręcz znakomicie. Między innymi z tego powodu kryształy te, wyhodowane w IFJ PAN metodą Czochralskiego, można dziś znaleźć w europejskim module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pośród wielu innych rodzajów detektorów pasywnych. Wymieniane co pół roku w ramach eksperymentu DOSIS 3D, detektory te umożliwiają określanie przestrzennego rozkładu dawki promieniowania w obrębie stacji i jej zmienności w czasie.
W trakcie najnowszych badań krystaliczne płytki fluorku litu wystawiono na działanie jonów o dużych energiach. Naświetlenia przeprowadzono w akceleratorze HIMAC w japońskim mieście Chiba. W trakcie ostrzału różnymi wiązkami jonów energie poszczególnych cząstek sięgały od 150 megaelektronowoltów na nukleon w przypadku jonów helu 4He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza 56Fe. Detektory ostrzelano także wiązkami jonów węgla 12C, neonu 20Ne i krzemu 28Si.
W płytkach kryształów ustawionych prostopadle do wiązki jonów zaobserwowaliśmy praktycznie punktowe źródła światła, o rozmiarach na granicy rozdzielczości optycznej mikroskopu. Były to te miejsca, w których wysokoenergetyczny jon przebił się przez kryształ - mówi prof. Bilski. W ramach testów część płytek została także ustawiona równolegle do wiązki. Prawdopodobieństwo zarejestrowania śladu było wtedy mniejsze, ale gdy już do tego doszło, w krysztale "odciskał" się długi fragment toru lotu cząstki.
Przeprowadzone testy potwierdzają, że detektory śladowe z fluorku litu świetnie nadają się do rejestrowania przelotów ciężkich jonów o dużych energiach. Wydaje się przy tym, że to wcale nie koniec możliwości kryształów LiF. Co drugi atom w ich wnętrzu to przecież lit, który znakomicie oddziałuje z neutronami. Detektory z fluorku litu, zwłaszcza wzbogacone w izotop litu 6Li, prawdopodobnie będą pozwalały bardzo skutecznie rejestrować neutrony niskoenergetyczne, a wiele wskazuje, że także wysokoenergetyczne. Jeśli przyszłe badania potwierdzą to przypuszczenie, możliwe stanie się skonstruowanie osobistych dawkomierzy neutronowych. Małe rozmiary kryształków LiF pozwalałyby także na ciekawe, dziś technologicznie niedostępne zastosowania techniczne. Śladowe detektory LiF można byłoby użyć na przykład do badania wiązek wtórnych formujących się wokół pierwotnej wiązki protonów wytwarzanych przez akceleratory używane w medycynie do zwalczania nowotworów.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.