Manipulowanie dwiema właściwościami metamateriałów nadzieją na przełom technologiczny
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Dzięcioł uderzający dziobem o drzewo z wielką siłą, prędkością i częstotliwością w jakiś sposób nie odczuwa negatywnych skutków swoich działań. Specjaliści, zastanawiający się, w jaki sposób mózg ptaka znosi te uderzenia, mówią o specjalnej konstrukcji czaszki lub o długim owiniętym wokół czaszki języku, co ma łagodzić wstrząsy. Autorzy najnowszej analizy twierdzą jednak, że nic takiego nie ma miejsca.
Wielu badaczy zakłada, że musi istnieć jakiś mechanizm absorpcji siły uderzenia, gdyż jeśli my byśmy zrobili coś takiego, to byłby on nam potrzebny, mówi Thomas Roberts, biomechanik z Brown University, który nie był zaangażowany w najnowsze badania.
Gdy nisko pochylony zawodnik futbolu amerykańskiego wpada na przeciwnika, jego głowa się zatrzymuje, ale mózg porusza się nadal, dochodzi do jego kompresji. Czasem może dojść w ten sposób do uszkodzenia. Tymczasem dzięcioł może tysiące razy dziennie uderzać dziobem w drzewo z przyspieszeniem trzykrotnie większym niż to, które pozbawiłoby człowieka przytomności i nie odnosi przy tym obrażeń.
Pomimo braku dowodów biologicznych na znaczącą absorpcję siły uderzenia, inżynierowie wykorzystują morfologię czaszki dzięciołów jako wzór do budowy hełmów. Tymczasem hipoteza o absorbowaniu uderzenia przez czaszkę nie tylko nie została zbadana w naturze, ale jest też kontrowersyjna. Mielibyśmy tutaj bowiem do czynienia z paradoksem, polegającym na tym, że dzięciołowi zależy, by przykładać dużą siłę do drzewa. Gdyby siła uderzeń była absorbowana, dzięcioł musiałby uderzać jeszcze mocniej, by osiągnąć pożądane efekty. Jako że możemy przypuszczać, iż silne wybiórcze oddziaływanie na drzewo prawdopodobnie usprawniało działania dzięcioła w toku ewolucji, jak jednocześnie miałaby wyewoluować cecha ograniczająca to oddziaływanie, czytamy w artykule pod wiele mówiącym tytułem Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks [PDF] opublikowanym na łamach Cell. Current Biology.
Autorzy nowej analizy, w tym Sam Van Wassenbergh z Uniwersytetu w Antwerpii, postanowili przede wszystkim sprawdzić hipotezę jakoby pomiędzy dziobem dzięcioła a jego mózgiem istniał mechanizm absorpcji siły wstrząsu, który powodowałby, że wytracanie prędkości przez mózg jest znacznie łagodniejsze niż wytracanie prędkości przez dziób uderzający w drzewo. Za pomocą szybkiej kamery nagrali sześć żyjących w ptaszarniach dzięciołów należących do trzech gatunków (2 dzięcioły czarne, 2 dzięcioły długoszyje oraz 2 dzięcioły duże). Następnie wykorzystali analizę poklatkową do śledzenia pozycji dwóch znaczników umieszczonych na dziobie każdego zwierzęcia, jednego na oku oraz, w przypadku dzięcioła długoszyjego, kropki narysowanej tuż za okiem. Jako, że oczy są ciasno umieszczone w oczodołach, które znajdują się pomiędzy gąbczastym fragmentem czaszki z przodu, a tylną częścią czaszki, wytracanie prędkości przez oko jest dobrym przybliżeniem wytracania prędkości przez tylną część mózgu, stwierdzili autorzy badań.
Analizy wykazały, że podczas uderzania obszar łączący dziób z okiem jest sztywny. Co więcej, u dzięciołów czarnych i jednego dzięcioła dużego mediana wytracania prędkości przez oko nie różniła się znacząco od mediany wytracania prędkości przez dziób, a u dzięciołów długoszyich i jednego dzięcioła dużego oko znacznie bardziej gwałtownie wytracało prędkość niż dziób. Analiza obu znaczników na dziobie pokazała zaś, że absorpcja siły uderzenia jest w nim albo pomijalnie mała (zjawisko takie zanotowano u jednego dzięcioła czarnego), albo też nie zachodzi.
Badania wskazują zatem, że w czasie kucia głowa dzięciola działa jak sztywny młot. Ich autorzy uważają, że gąbczaste fragmenty czaszki dzięciołów nie służą do absorbowania siły uderzenia i ochrony mózgu poprzez elastyczne deformowania się, a ich budowa ma służyć ochronie samej czaszki przed rozpadnięciem się od uderzeń.
Van Wassengergh i jego koledzy piszą, że przeprowadzone symulacje ciśnień wewnątrzczaszkowych potwierdzają teorię Gibsona mówiącą, że taki system może działać bez specjalnych mechanizmów ochrony przed uszkodzeniami mózgu. Sądzą, że w toku ewolucji u dzięciołów pojawiły się odpowiednie rozmiary głowy, ograniczenie maksymalnej prędkości uderzenia oraz umiejętność wyboru drzew o odpowiedniej twardości. Nie wykluczają też istnienia dodatkowych środków ochronnych jak mechanizmy naprawy uszkodzeń mózgu, odpowiednia kompresja żył w szyi celem zwiększenia ciśnienia krwi w mózgu czy manipulowanie przepływem płynu mózgowo-rdzeniowego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na University of Central Florida powstał nowy typ promienia laserowego, który nie podlega standardowym zasadom przemieszczania się i refrakcji światła. Osiągnięcie, opisane na łamach Nature Photonics, może mieć kolosalny wpływ na systemy komunikacyjne i technologie laserowe. Ta nowa klasa promieni laserowych ma unikatowe właściwości, których nie posiadają standardowe promienie, mówi profesor Ayman Abouraddy, główny autor badań.
Nowy rodzaj promienia, nazwany falowym pakietem czasoprzestrzennym, podlega innym niż standardowe zasadom podczas przechodzenia przez różne materiały. Zwykle im bardziej gęsty ośrodek, w którym porusza się światło, tym mniejsza prędkość fotonów. Falowe pakiety czasoprzestrzenne można dostroić tak, by zachowywały się jak standardowe światło, by nie zwalniały lub też by przyspieszały w bardziej gęstych ośrodkach. Dzięki temu te impulsy światła magą w tym samym momencie docierać do różnych punktów w przestrzeni, mówi Abouraddy.
Łyżeczka wsadzona do szklanki wody wydaje się złamana w miejscu, gdzie spotykają się woda i powietrze. Prędkość światła w powietrzu jest inna niż w wodzie. Promienie światła zaginają się po przekroczeniu granicy wody i światła, przez to łyżeczka wygląda na złamaną, przypomina uczony.
Prawo Snelliusa, dotyczące załamania światła na granicy ośrodków, nadal ma zastosowanie do falowych pakietów czasoprzestrzennych, jednak łamią one zasadę Fermata mówiącą, że promień świetlny przebywa najkrótszą możliwie drogę optyczną.
Niezależnie od tego, jak różne są materiały, w których porusza się światło, zawsze istnieje pakiet czasoprzestrzenny, który może przekroczyć granicę pomiędzy ośrodkami bez zmiany prędkości. Innymi słowy, zachowuje się on tak, jakby granica pomiędzy ośrodkami nie istniała, mówi Abouraddy.
To zaś oznacza, że w systemach komunikacyjnych wykorzystujących światło prędkość przesyłania wiadomości za pomocą wspomnianych pakietów nie będzie zależna od ośrodków, w których światło się propaguje. Wyobraźmy sobie samolot próbujący skomunikować się z dwoma okrętami podwodnymi znajdującymi się na tej samej głębokości, z których jeden jest blisko, a drugi daleko. W standardowym systemie ten okręt, który jest daleko, będzie dłużej oczekiwał na wiadomość. My odkryliśmy, że możemy tak dostroić sposób propagowania się impulsów, że wiadomość dotrze do obu okrętów w tym samym momencie. Osoba wysyłająca informacje nie musi nawet wiedzieć, gdzie są okręty, dopóki przebywają one na tej samej głębokości. Impulsy można zsynchronizować na ślepo, bez znajomości położenia okrętów, stwierdza uczony.
Zespół Aouraddy'ego stworzył falowe pakiety czasoprzestrzenne wykorzystując w tym celu przestrzenny modulator światła, który tak organizuje energię impulsu świetlnego, że jego właściwości w czasie i przestrzeni nie są dłużej od siebie oddzielone. Dzięki temu możliwe jest kontrolowanie „grupowej prędkości” impulsu świetlnego. To nic innego jak maksymalna prędkość, z jaką impuls ten się przemieszcza.
W swojej najnowszej pracy zespól Abouraddy'ego wykazał, że jest w stanie kontrolować prędkość grupową falowych pakietów czasoprzestrzennych w różnych mediach. Nie ma przy tym mowy o złamaniu szczególnej teorii względności, gdyż kontroli podlega rozprzestrzeniania się szczytowego impulsu, a nie oscylacji fali światła.
To nowe pole badawcze. To, co obecnie wiemy o świetle bierze pod uwagę założenie, że jego właściwości w czasie i przestrzeni są czymś oddzielnym. Znamy zasady optyki opierające się na tym założeniu. Jest ono silnie wbudowane w naukę. Przyjmowane za coś naturalnego. Jednak teraz, odrzucając to założenie, możemy wszędzie obserwować nowe zjawiska, stwierdza Abouraddy.
Refrakcja czasu i przestrzeni przeczy naszym oczekiwaniom wywiedzionym z zasady Fermata i daje nam nowe możliwości odnośnie sterowania przepływem światła i innych zjawisk falowych, dodaje współautor badań, Basanta Bhaduri.
Na kolejnym etapie badań naukowcy chcą przyjrzeć się interakcjom falowych pakietów czasoprzestrzennych ze światłowodami i wnękami optycznymi.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Łuski ryżu skutecznie usuwają z wody mikrocystyny - toksyny sinicowe. Dotąd produkt ten, który zwykle traktowany jest jak dostępny w nadmiarze odpad, badano pod kątem oczyszczania wody. Amerykanie jako pierwsi wykazali, że za jego pomocą można eliminować toksyny uwalniane podczas masowych zakwitów.
Mikrocystyny są bardzo toksyczne zarówno dla roślin, jak i dla zwierząt, w tym dla ludzi. Działają hepatotoksycznie, co oznacza, że powodują poważne uszkodzenia wątroby.
Prof. Jon Kirchhoff i Dragan Isailović z Uniwersytetu w Toledo posłużyli się organicznymi łupinami ryżowymi. Poddali je działaniu kwasu solnego i podgrzali do temperatury 250 stopni Celsjusza.
Następnie łuski rozprowadzono w próbkach wody, pobranych z jeziora Erie podczas zakwitu sinic w 2017 r. Mierzono stopień wchłaniania toksyn.
Okazało się, że przy stężeniach do 596 ppb (parts per bilion, cząstek na miliard) łuski ryżowe usuwały ponad 95% mikrocystyny LR. Nawet gdy stężenia zbliżały się do 3000 ppb, eliminowały ponad 70% mikrocystyny LR. Inne rodzaje mikrocystyn także były usuwane.
Przyglądaliśmy się usuwaniu mikrocytystyn z prawdziwych próbek środowiskowych. Badany materiał sprawował się naprawdę dobrze. Mówimy o skrajnie wysokich stężeniach toksyn [...]. Normalnie latem w jeziorze Erie są one o wiele, wiele niższe - wyjaśnia Isailović.
Łupiny ryżowe są nie tylko skuteczne, ale i tanie. Poza tym można je potem wykorzystać do innych celów (podgrzanie łusek, które wchłonęły mikrocystyny, do temperatury 560°C niszczy toksyny i pozwala uzyskać ditlenek krzemu).
Naukowcy mają nadzieję, że ich rozwiązanie uda się przeskalować, tak by dało się je wdrożyć do ekologicznego uzdatniania wody skażonej przez zakwit. Wspominają też o systemach filtracyjnych dla krajów rozwijających się.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Chińscy naukowcy z Uniwersytetu Południowo-Wschodniego w Nankinie poinfomowali o stworzeniu urządzenia, które, kontrolując sposób zaginania światła powoduje, iż obiekty wydają się mniejsze niż są w rzeczywistości.
Inżynierowie Wei Xiang Jiang i Tie Jun Cui opublikowali artykuł na ten temat w Applied Physics Letters.
Urządzenie zmniejszające może wirtualnie zmniejszyć rozmiary obiektu. Takie urządzenie działa w zakresie mikrofal, może zatem zmylić radary i inny sprzęt wykorzystujący fale elektromagnetyczne do wykrywania przedmiotów i spowodować, iż zostanie podjęta zła decyzja. Nasze urządzenie potencjalnie może zostać zastosowane w przemyśle wojskowym - powiedział Cui.
Uczeni wykorzystali materiały do zbudowania ośmiu koncentrycznych pierścieni o wysokości 12 milimetrów każdy. W środku można umieścić niewielki przedmiot. Gdy światło przechodzi przez pierścienie zostaje zagięte, a długość fali ulega kompresji. Po dotarciu do wnętrza pierścieni zachodzi dekompresja. Obserwatorowi z zewnątrz wydaje się, że przedmiot umieszczony w środku pierścieni jest mniejszy niż w rzeczywistości.
Inżynierowie wyjaśniają, że całość działa nieco podobnie do „czapki-niewidki" tworzonej z metamateriałów, gdyż wirtualnie zmniejsza średnicę najmniejszego okręgu, w którym znajduje się przedmiot. Teoretycznie można zmniejszyć ją tak bardzo, że środkowy okrąg zniknie wraz ze znajdującym się tam przedmiotem.
Chińczycy zarówno teoretycznie jak i praktycznie wykazali, że ich konstrukcja działa tak, jak zakładali.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Inżynierowie z Duke University teoretycznie wyliczyli, że za pomocą odpowiednio zaprojektowanego metamateriału możliwe będzie znaczące zmniejszenie strat energii wysyłanej bezprzewodowo.
Podczas bezprzewodowego przesyłania energii jej większość jest tracona. Olbrzymich strat można uniknąć tylko wówczas, gdy odbiornik i nadajnik znajdują się bardzo blisko siebie. Jednak uczeni z Duke stwierdzili, że jeśli pomiędzy urządzeniami umieścimy przewidziany przez nich teoretycznie metamateriał, to skupi on energię tak, że mimo większej odległości nadajnika od odbiornika, straty energii będą minimalne.
Obecnie udaje się przesłać niewielkie ilości energii na krótkie odległości, na przykład możemy zasilić tagi RFID. Jednak większe ilości energii, takie jak promienie lasera czy mikrofale mogłyby spalić wszystko na swojej drodze - mówi Yaroslav Urzhumov z Duke'a.
Nasze obliczenia wskazują, że powinno być możliwe wykorzystanie metamateriału do zwiększenia ilości transmitowanej energii bez występowania efektów ubocznych - dodaje.
Urzhumov pracuje w laboratorium profesora Davida R. Smitha, którego zespół jako pierwszy na świecie zaprezentował metamateriał działający jak czapka-niewidka.
Jako że metamateriały mogą działać tak, jakby część przestrzeni nie istniała to, zdaniem Urzhumova, ich zastosowanie pomiędzy nadajnikiem energii a odbiornikiem wywoła taki efekt, jakby urządzenia były bardzo blisko siebie. A zatem straty energii powinny być minimalne.
Taki materiał, o ile powstanie, powinien składać się z setek lub tysięcy pętli przewodzących ułożonych w jedną macierz. Pętle takie będą umieszczone na podłożu z miedzi i włókna szklanego. System taki musi być dostrojony do specyficznego odbiornika, a ten z kolei musi być zestrojony z nadajnikiem - stwierdził Urzhumov.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.