Уникальные оптические свойства дисульфида молибдена позволили создать из него самую тонкую в мире линзу


Группа ученых из австралийского Национального университета (Australian National University, ANU), возглавляемая доктором Юеруи Лью (Dr Yuerui Lu) добилась успеха в создании того, что можно назвать самой тонкой в мире оптической линзой. Толщина этой линзы составляет одну двухтысячную долю от толщины человеческого волоса, а изготовлена она из кристалла дисульфида молибдена, вещества, обладающего при некоторых условиях, целым набором уникальных оптических свойств. Следует отметить, что данное достижение может стать основой для создания миниатюрных оптических систем высококачественных камер для смартфонов, других портативных электронных устройств, гибких дисплеев и многого другого.

"Материал этого типа уже некоторое время является перспективным кандидатом для электроники будущего поколения, где он может послужить заменой традиционному кремнию" - рассказывает доктор Лью, - "Теперь мы открыли его новую сторону. И используя свойства тонкопленочного дисульфида молибдена, мы сможем создавать сложные оптические системы, подражающие строению и функционированию фасетчатых глаз насекомых".

Толщина линзы из дисульфида молибдена составляет всего 6.3 нанометра и это намного меньше толщины ультратонких линз предыдущего поколения, толщина которых составляла 50 нанометров и которые были изготовлены из метаматериала на основе золотых "нанокирпичиков".

Группе доктора Лью удалось изготовить кристаллы дисульфида молибдена, толщиной 6.3 нанометра, что соответствует толщине 9 атомных слоев. Из этой тонкой пленки лазером была вырезана заготовка круглой линзы, радиусом 10 микрон. Затем, при помощи сфокусированного ионного луча, позволяющего "сбривать" с поверхности слои атомов, линзе была придана округлая форма.

Оказалось что слой дисульфида молибдена, толщиной 0.7 нанометров, оказывает на свет сильное преломляющее воздействие, такое же, которое оказывают на свет линзы из других материалов, толщиной минимум в 38 нанометров, т.е., в 50 раз толще. Этот эффект возникает за счет явления дифракции и вмешательства атомов материала в фазу фотонов света.

"Мы сначала не смогли определить, почему дисульфид молибдена имеет столь удивительные свойства" - рассказывает доктор Лью. Для выяснения этого была разработана математическая модель, которая показала, что из-за высокого коэффициента преломления свет многократно отражается от внутренних поверхностей линзы, проходя в ее среде гораздо большую дистанцию, нежели ее толщина.

Проведенные исследования и расчеты показали, что коэффициент преломления света тонкой пленкой дисульфида молибдена, который и определяет силу воздействия этого материала на свет, имеет высокое значение и равен 5.5. Для сравнения, блистающие алмазы имеют коэффициент преломления в 2.4, а коэффициент преломления воды составляет 1.3.

"Дисульфид молибдена - удивительный материал. Он выдерживает воздействие высоких температур, он является полупроводником и он способен излучать фотоны света" - рассказывает доктор Лью, - "Мы открыли его способность управлять потоком света на атомарном уровне и это открывает путь процессу беспрецедентной миниатюризации оптических компонентов и их интеграции в структуру традиционных полупроводниковых чипов".

Источник

Специальные капсулы с жидким металлом позволяют производить пайку без использования тепла


Пайка является весьма и весьма распространенной технологией, широко используемой при производстве и ремонте электроники практически любого вида. В большинстве случаев для качественной пайки используются высокотемпературные припои, точка плавления которых находится в пределах 200-300 градусов Цельсия. Для критичных случаев используют низкотемпературные припои, к примеру, сплав Вуда или сплав Розе, температура плавления которых не превышает 100 градусов. Но бывают и особо критичные случаи, когда воздействие даже не очень высокой температуры принципиально недопустимо, и в данном случае для пайки можно использовать новую технологию, разработанную исследователями из Аризонского университета.

Основу разработанной технологии пайки составляют капельки жидкого металла, металлического сплава, остающегося в жидком состоянии при нормальной температуре, облаченные в специальную тонкую защитную оболочку. Весь фокус и заключается в этой оболочке, которая удерживает металлический сплав в жидком состоянии даже тогда, когда температура окружающей среды существенно ниже температуры плавления данного сплава. Но когда эти хрупкие оболочки разрушаются, жидкий металл, попадая на спаиваемые поверхности, охлаждается и становится твердым, скрепляя поверхности в единое целое.

В основе всего этого лежит явление, известное под названием переохлаждение. Защитная раковина, оболочка капельки жидкого металла, не содержит никаких дефектов, она имеет абсолютно равномерную толщину, что препятствует возникновению точек кристаллизации, из которых и берет начало процесс затвердевания. Если наблюдать за медленным процессом образования льда, то можно заметить, что этот процесс начинается от одной или нескольких точек. Эти точки представляют собой области с более низкой температурой, которая возникает из-за присутствия неоднородностей, к примеру, частичек пыли. И если устранить эти неоднородности, то жидкости можно охлаждать ниже точки из замерзания, при этом они будут продолжать оставаться в жидком состоянии.

Капельки жидкого металла с однородной защитной оболочкой были получены исследователями путем распыления жидкого металла в пену, содержащую большое количество кислорода. Этот кислород является причиной формирования тонкой окисной пленки вокруг капельки металла, которая затем укрепляется за счет реакции с уксусной кислотой, образуя прочное окисно-ацетатное соединение. А последующее плавное снижение температуры позволяет металлическому сплаву продолжать оставаться в жидком состоянии. Отфильтрованные капельки в защитных оболочках могут быть нанесены на предварительно очищенные и химически активированные спаиваемые поверхности, а приложенное извне давление заставит разрушиться их хрупкие оболочки.

Проверяя работу технологии такой низкотемпературной пайки, исследователям удалось припаять золотой проводник к золотой поверхности, "заживить" отверстия, сделанные в серебряной фольге и спаять вместе два кусочка фольги из разных металлов. Несмотря на это, можно сказать, что выбрасывать традиционный паяльник еще рано, ведь трудность производства микрокапелек жидкого металла в защитных оболочках делает эту технологию достаточно дорогостоящей. Однако, в некоторых случаях, когда использование высокой температуры принципиально недопустимо, этот метод может стать единственным, который позволит изготовить или починить некоторые экзотические элементы не менее экзотических электронных устройств.

Источник

Создано гибкое покрытие с элементами из жидкого металла, поглощающее радиоволны и скрывающее объекты от радаров


Инженеры из университета Айовы (Iowa State University) разработали новый тип гибкого и эластичного покрытия, структура которого содержит множество маленьких элементов, изготовленных из жидкого металлического сплава, которое с высокой эффективностью поглощает радиоволны определенного диапазона и скрывает объекты от "зоркого глаза" радаров. Название этого покрытия, "метакожа", является производным от термина метаматериалы, которые являются искусственными материалами, обладающими свойствами, которыми не обладает ни один из материалов естественного происхождения. Элементы нового метаматериала позволяют ему влиять на распространение радиоволн, а растяжение или сокращение эластичного покрытия позволяет изменить частоту, на которой покрытие демонстрирует максимальную эффективность поглощения.

"Мы считаем, что данная технология найдет применение не только в стелс-технологиях. При помощи подобного подхода можно будет создавать элементы радиоустройств, которые позволяют управлять распространением радиосигналов, фокусировать, рассеивать их и подавлять нежелательные сигналы" - написали исследователи.

Ключевым моментом нового покрытия является упорядоченная решетка кольцевых резонаторов, заключенных между слоями эластичного силикона. Элементы этих резонаторов состоят из галинстана (galinstan), металлического сплава, которой находится в жидком состоянии при комнатной температуре и который менее токсичен, нежели другие жидкие металлы, такие, как ртуть. Резонаторы представляют собой маленькие кольца с внешним радиусом в 2.5 миллиметра и толщиной около половины миллиметра. Они имеют миллиметровый промежуток, представляя собой изогнутый участок жидкометаллического проводника.

Кольца представляют собой катушки индуктивности, а промежутки - электрические конденсаторы. Вместе эти два элемента представляют собой колебательный контур, который поглощает с максимальной эффективностью радиоволны, частота которых совпадает с резонансной частотой контура. Растяжение материала приводит к изменению геометрических размеров элементов колебательного контура, что приводит к изменению его резонансной частоты.

Проведенные испытания показали, что уровень подавления сигнала радара таким покрытием составляет 75 процентов в диапазоне от 8 до 10 ГГц. Когда скрываемый объект обернут в покрытие из такой кожи, подавление осуществляется во всех направлениях и относительно всех углов падения радиоволн на поверхность объекта.

"Технология "метакожи" кардинально отличается от других стелс-технологий, которые работают за счет уменьшения эффективной отражающей площади. Новое покрытие попросту уменьшает количество энергии радиоволн, отраженных объектом обратно к радару".

"Нашей дальнейшей целью является сокращение размеров элементов резонансных контуров и покрытия в целом" - пишут исследователи, - "Кроме этого, уменьшение размеров будет означать перемещение зоны эффективной работы покрытия в более высокочастотную область и мы надеемся забраться в диапазоны видимого и инфракрасного света. Это может стать возможным благодаря применению самых последних достижений в области нанопроизводства и если нам удастся сделать все это, мы получим плащ-невидимку, работающий не только в радиодиапазоне, но и в оптическом диапазоне тоже".

Источник

Астрономам удалось зафиксировать момент взрыва двух сверхновых звезд


Международной группе ученых-астрофизиков, возглавляемой Питером Гарнавичем (Peter Garnavich), профессором из университета Нотр-Дама (University of Notre Dame), удалось "поймать" моменты взрывов двух сверхновых звезд. Эта группа провела три года, тщательно "просеивая" данные наблюдений за 50 триллионами звезд, собранные космическим телескопом Kepler, в поисках событий, связанных с возникновением в ядре звезды ударных волн, которые полностью разрушают "умирающую" звезду. И, впервые в истории астрономии, эти ударные волны в среде супергигантской звезды были зарегистрированы в диапазоне видимого света.

Звезды, имеющие массу, превосходящую массу Солнца в 10-20 раз, в подавляющем большинстве случаев перед их "кончиной" превращаются с супергигантские звезды, размеры которых могут соответствовать размерам орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца. Когда в недрах таких звезд полностью заканчивается их ядерное топливо, в их ядре возникает маленькая нейтронная звезда, вокруг которой начинают формироваться ударные волны, которые чуть позже взрывают звезду в "пыль и прах". В момент, когда ударная волна достигает поверхности звезды, возникает яркая вспышка света, о наличии которой раньше известно было только в теории.

"Вспышка, вызванная ударной волной изнутри звезды, длится около часа. Таким образом, мы должны просматривать непрерывно миллионы звезд, и если нам улыбнется удача, то мы можем зафиксировать одну такую вспышку" - рассказывает профессор Гарнавич.

В 2001 году, "зоркий глаз" космического телескопа Kepler все же зафиксировал две вспышки, но ученым потребовалось достаточно много времени для того, чтобы найти эти "жемчужины" в огромной "куче" собранных телескопом данных. Первый красный супергигант KSN 2011a имеет, точнее, имел размер, в 300 раз превышающий размер Солнца, и эта звезда удалена от Земли на 700 миллионов световых лет. Второй супергигант, KSN 2011d, в 500 раз больше Солнца и он находится на расстоянии 1.2 миллиарда световых лет от Земли. Оба взрыва сверхновых относятся к распространенному классу Type II. Когда запасы топлива в ядрах таких звезд подходят к концу, силы, создаваемые бьющей наружу энергией, слабеют и ядро звезды "схлопывается" в нейтронную звезду под воздействием собственной гравитации.

Понимание физики происходящих процессов позволит ученым выяснить роль подобных звезд в процессе развития Вселенной. Ведь такие звезды являются "фабриками" тяжелых химических элементов, из которых впоследствии может зародиться жизнь в различных уголках не только нашей галактики, но и более удаленных областях Вселенной.

И в заключении напомним нашим читателям, что основной миссией космического телескопа Kepler был поиск планет, вращающихся вокруг далеких звезд. Однако, телескоп Kepler, способный заглядывать в недра и других далеких галактик, собрал массу данных, не имеющих никакого отношения к экзопланетам, но обладающих высокой научной ценностью. Для анализа этих данных и была собрана группа астрофизиков KEGS (Kepler ExtraGalactic Survey) из Нотр-Дама, Мэриленда, Беркли и Австралии, которая занимается изучением взрывов сверхновых и других процессах, протекающих в далеких галактиках.

К сожалению, принципы работы телескопа Kepler не позволяют создать наглядных изображений или видео даже таких масштабных процессов, как взрывы сверхновых. То, что вы можете увидеть на приведенном ниже видеоролике, является мультипликацией, но не просто фантазией художника, а мультипликацией созданной по и строго соответствующей реальным данным, собранным телескопом Kepler.


Источник

Крошечные нанодвигатели позволят электронным устройствам самовосстанавливаться в случае повреждения


Электронные устройства различного вида с каждым днем становятся все более сложными и миниатюрными, и точно такие же кардинальные изменения претерпевают технологии, используемые при производстве и ремонте этих электронных устройств. Но в некоторых случаях сложность электронного устройства делает невозможным процесс поиска возникшей неисправности и ее устранения, именно для таких "тяжелых" случаев исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новую технологию самовосстановления, в которой используются крошечные нанодвигатели, способные самостоятельно искать и заращивать незначительные механические повреждения, к примеру, микротрещины.

"Современные электронные схемы имеют очень высокую степень сложности, для того, чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на печатную плату от смартфона или планшетного компьютера" - рассказывает Жинхинг Ли (Jinxing Li), - "Но любая трещина, даже самая незначительная, может прервать путь, по которому течет электрический ток, что в конечном счете приводит к отказу устройства. Обычная электроника может быть восстановлена путем традиционной пайки, но ремонт самой передовой наноразмерной электроники требует новых инновационных подходов".

"Если вы порежете палец, то кровяные пластинки (тромбоциты) автоматически изолируют место повреждения от окружающей среды и помогут начать процесс заживления" - рассказывает Ли, - "Используя это в качестве начальной идеи, мы спроектировали чрезвычайно маленьких роботов, которые выполняют функции тромбоцитов по отношению к электронной системе".

Нанороботы представляют собой наночастицы из золота и платины, и они приводятся в действие раствором пероксида водорода (перекиси водорода). Платина выступает в качестве катализатора, расщепляющего перекись на воду и кислород, пузырьки которого заставляют двигаться наночастицу. Когда движущиеся наночастицы попадают в район микротрещины, они заполняют ее собой, проникая во все ее уголки за счет малых размеров. И поскольку сами наночастицы изготовлены из токопроводящих материалов, это позволяет восстановить электрический контакт в месте трещины.

Такие наночастицы-нанороботы являются идеальным вариантом для восстановления некоторых электронных компонентов, которые чрезвычайно трудно или вообще невозможно отремонтировать другими способами. К примеру, при их помощи можно восстановить токопроводящий слой солнечных батарей, которые постоянно подвергаются резким температурным перепадам, что, в свою очередь, вызывает появление множества микротрещин. Кроме этого, такой же самый подход позволит "исцелить" гибкие датчики, аккумуляторные батареи и другую гибкую электронику, к которой нельзя прикасаться обычным паяльником.

Помимо всего вышеперечисленного, подобная технология, в которой используются несколько другие материалы и вид "топлива", могут использоваться в медицинских целях для доставки лекарственных препаратов непосредственно в точку их применения. Сейчас ученые из Калифорнийского университета уже работают в направлении создания нанороботов-нанодвигателей, которые будут способны функционировать внутри тела человека и которые смогут использоваться для лечения различных заболеваний, в том числе и инфекционных.

Источник

Ученые синтезировали живые клетки с геномом, содержащим минимально возможное количество генов


В геноме человека содержится около 20 тысяч генов и ученым не известно о том, в чем заключаются функции большинства из них. У простейших микроорганизмов и бактерий геном состоит из 4-5 тысяч генов. А сейчас ученые пытаются выяснить минимальное количество генов, при котором организм продолжает оставаться в жизнеспособном состоянии. И все это является отправной точкой исследований, направленных на выяснение функций каждого отдельного гена.

Международная группа ученых, возглавляемая учеными из института Дж. Крэйга Вентера (J. Craig Venter Institute), Калифорния, синтезировала жизнеспособные клетки, в геноме которых содержится самое маленькое количество генов - 473. Проведенные исследования уже дали ученым ответы на некоторые из фундаментальных вопросов в области биологии, более того, они являются первыми шагами к технологиям выращивания синтетических клеток для их дальнейшего практического применения в медицине и промышленности.

В основе нынешней работы лежит работа этой же группы ученых, которая была проведена в 2010 году. Тогда ученым удалось синтезировать первую способную к самовоспроизведению живую клетку Syn1.0, в геноме которой насчитывалось в два раза большее количество пар оснований, чем в новой клетке Syn3.0. Ученые сами признают, что двукратное уменьшение количества генов заняло у них гораздо больше времени, чем они ожидали сами.

Процесс "обрезки" генома усложнялся наличием целого рада критериев. Синтетическая клетка должна была быть в состоянии самовоспроизводиться, при этом, делать это достаточно быстро, чтобы за процессом можно было наблюдать в лабораторных условиях. Ученые начали с полного генома бактерий вида Mycoplasma mycoides, который был разделен на восемь частей, обработка которых производилась отдельно друг от друга.


Вырезая участки генома, ученые постепенно "выбили" те гены, которые были неважны для процессов жизнедеятельности. К удивлению, они нашли массу генов, охарактеризованных термином "квазиважные", пары генов, которые функционируют в тандеме. Некоторые из генов, работающих в парах, продолжают функционировать и поодиночке, но клетка теряет функцию этих генов, когда оба гена исключаются из генома. Исследователи сравнивают такие пары генов с двигателями самолета - "Если двигатель на одном крыле перестает работать, то самолет еще может лететь и совершить посадку на втором двигателе. Но если оба двигателя выходят из строя - это приводит к катастрофе" - рассказывает Крэйг Вентер (Craig Venter).

В конце многочисленных удачных и неудачных процедур по вырезке генов у ученых получилась клетка, геном которой состоит из 473 генов, которая способна производить молекулы РНК и других белков. Ученые признают, что данное количество, вероятно, является не самым минимальным, но если из генома убрать некоторые несущественные гены, то синтетические клетки будут расти и самовоспроизводиться гораздо более медленными темпами.

Но даже среди минимального числа генов ученым не известны функции порядка третьей части из них. Это служит доказательством тому, что ученые знают крайне и крайне мало о базовых принципах биологии и физиологии живых организмов. Но дальнейшие работы в данном направлении позволят узнать функции отдельных генов и ликвидировать больше "белых пятен" в знаниях, и это может привести к разработке новых методов лечения некоторых генетических заболеваний.

Источник