новости науки и техники

Ученые создали самый маленький микрофон, в роли которого выступает единственная молекула

Известно, что микрофоны, устройства, превращающие звуковые волны в электрические сигналы, бывают разных типов и разных размеров, начиная от громоздких студийных микрофонов и заканчивая крошечными микрофонами, впаиваемыми на платы мобильных телефонов. Но то, что удалось сделать группе исследователей из Лундского университета, Швеция, по праву можно назвать самым маленьким микрофоном в мире. Ведь в качестве чувствительного элемента этого микрофона выступает одна единственная молекула, которая колеблется под воздействием звуковых волн.

Когда мы говорим о звуке, мы подразумеваем колебания, передающиеся через воздух, через газ другого типа, через воду или через другую среду. Эти колебания воздуха, коснувшиеся барабанных перепонок, заставляют их вибрировать и раздражать окончания слухового нерва, что позволяет нам с вами воспринимать звуки, слышать. В новом молекулярном микрофоне роль барабанной перепонки выполняет одна единственная молекула дибензотерилена (dibenzoterrylene, DBT), колебания которой вызывают изменения в спектре света ее флуоресценции.

Для того, чтобы заставить молекулу работать в качестве микрофона, научной группе, возглавляемой профессором Юкси Тиэн (Yuxi Tian), пришлось поймать несколько таких молекул в ловушки, находящиеся внутри кристалла антрацена. Звуковые колебания заставляют колебаться кристалл, а молекулы DBT при этом перекатываются внутри полостей ловушек. Такие перемещения молекул влияют на взаимодействие электронных облаков, окружающих молекулы, с электронами кристаллической решетки антрацена и это влияние приводит к спектральным изменениям. Отслеживая эти спектральные изменения света флуоресценции при помощи лазера, к примеру, можно определить частоту и амплитуду звука, воздействующего на этот молекулярный микрофон.

Естественно, что столь миниатюрный акустический датчик вряд ли станет полезен в нашей повседневной жизни. Кроме этого, структура молекулярного микрофона для минимизации тепловых шумов от молекул воздуха должна быть охлаждена до достаточно низкой температуры. Но такой молекулярный микрофон может найти применение в оборудовании для физических лабораторий и там, где исследователи занимаются изучением квантовых эффектов при помощи крошечных колебательных систем, ведь при помощи одной единственной молекулы можно уловить даже самые слабые акустические колебания.

Новый кристаллический материал позволит аквалангистам плавать без кислородных баллонов

Подводное плавание - это очень увлекательное занятие, которое, к сожалению, ограничено по времени количеством кислорода, содержащегося в баллонах акваланга. Но что, если бы аквалангист получил возможность брать необходимый ему кислород прямо из окружающей среды, как это делают почти все виды морских и речных животных? И именно для этого можно использовать новый кристаллический материал, синтезированный учеными из университета Южной Дании (University of Southern Denmark).

Новый чудо-материал может поглотить объем чистого кислорода в 160 раз превышающий объем его кристалла. Для сравнения, одна столовая ложка такого материала может поглотить весь кислород, содержащийся в объеме воздуха стандартной жилой комнаты. Материал способен поглощать кислород из воздуха и кислород, растворенный в соленой и пресной воде, а извлекается поглощенный кристаллом кислород в нужном месте и в нужное время при помощи достаточно простых методов.

"Наше открытие имеет огромное значение для людей, страдающих от заболеваний легких, которые вынуждены всюду таскать за собой тяжелые баллоны высокого давления с кислородом" - рассказывает профессор Кристин Маккензи (Christine McKenzie), - "Кроме этого, такой материал позволит дайверам оставить дома свои кислородные баллоны. Необходимый им кислород будет извлекаться при помощи наших кристаллов прямо из воды и для этого потребуется всего несколько небольших кристаллов, в которых может содержаться достаточный для дыхания объем кислорода".

Основой кристаллического поглощающего материала является кобальт, связанный с молекулами определенных органических соединений. "Наличие кобальта дает материалу необходимую ему молекулярную и электронную структуру, которая позволяет ему эффективно поглощать кислород из окружающей среды" - рассказывает профессор Маккензи, - "Наличие небольших количество определенных металлов является необходимым условием для эффекта поглощения кислорода, и наш случай также не является исключением".

Материал может выдержать достаточно большое количество циклов поглощения и высвобождения кислорода. Когда материал наполняется поглощенным кислородом, он меняет свой цвет, интенсивность которого является индикатором количества поглощенного кислорода. Извлекается кислород путем незначительного нагрева материала или помещения его в среду вакуума, а сейчас ученые работают в направлении разработки технологии высвобождения кислорода при помощи света, что значительно упростит его практическое использование.

"Когда материал полностью насыщается кислородом, его можно сравнить с кислородным баллоном высокого давления" - рассказывает профессор Маккензи, - "Только в нашем случае давление отсутствует полностью, а объем хранимого в материале кислорода превышает в три раза объем кислорода, который может вместиться в баллон под высоким давлением".

Разработана новая технология сокрытия трехмерных объектов, эффективно работающая в диапазоне видимого света

Двое ученых из университета Рочестера (University of Rochester) разработали новую технологию оптического сокрытия, которая достаточно эффективно работает в диапазоне видимого света и обеспечивает сокрытие объектов при достаточно широком угле обзора. При этом, реализация этой технологии весьма проста, опытная установка состоит из четырех линз, расположенных особым образом.

Следует заметить, что тема создания устройств сокрытия, своего рода "плащей-невидимок" будоражит научный мир уже достаточно долгое время. Ученым уже удавалось создавать плащи-невидимки, работающие в акустическом диапазоне, в микроволновом диапазоне и в отдельных частях спектра видимого света. Всего этого им удавалось добиться за счет использования метаматериалов, искусственных дорогих материалов, имеющих сложную структуру и сложную структуру поверхности. Но, такой подход позволяет устройствам сокрытия работать лишь в определенном узком диапазоне спектра, а эффективность их работы сильно зависит от угла падения лучей или точки положения наблюдателя.

"Наше устройство является первым устройством, которое может эффективно скрыть трехмерный объект во всем диапазоне видимого света" - рассказывает студент-выпускник Джозеф Чой (Joseph Choi), работавший над данным открытием под руководством профессора Джона Хауэлла (John Howell), - "При этом, наше устройство замечательно работает при отклонение точки зрения от его оси на достаточно большой угол, до 15 градусов в нашем случае".

Созданное учеными устройство работает за счет последовательности фокусировки и преломления лучей света линзами, что заставляет лучи света следовать по определенному пути, не касаясь скрываемых объектов. Этим путем является оптическая ось, соединяющая центры двух внутренних линз, а объем, в котором происходит сокрытие объектов, представляет собой цилиндрическую область между вышеупомянутыми линзами. В теории, такая технология, которая более походит на банальный фокус, может обеспечить эффективную работу при смещении точки зрения на 30 градусов от оси устройства, только для этого потребуются специальные линзы с большой кривизной. Ученые же использовали обычные линзы, которые можно найти в любой оптической лаборатории, кривизна которых была искусственно увеличена путем объединения двух линз в одну и заполнении промежутка между ними прозрачным материалом.

Естественно, разработанная технология не лишена своих недостатков. При пересечении любым предметом оптической оси в области сокрытия приводит к прерыванию луча фокусированного света и прекращению работы устройства. Но зная эту особенность можно придумать такие виды применений, в которых эта особенность не будет играть ни малейшей роли.

Конечно, при помощи такой системы линз нельзя будет сделать плащ-невидимку в стиле Гарри Поттера. Устройство Чоя и Хауэлла является, по сути, более совершенным с точки зрения оптики вариантом классического фокуса-иллюзии, в котором используются зеркала, установленные в соответствующих местах сцены и повернутые на определенные углы. Тем не менее, устройство Чоя и Хауэлла позволит скрыть объекты любой формы и любых размеров для чего потребуется лишь использовать линзы соответствующих размеров и кривизны.

А в качестве примеров возможного применения разработанной ими технологии Чой и Хауэлл указывают устройства, позволяющие водителю заглянуть в мертвые зоны обзора из его транспортного средства, устройства, позволяющие хирургу смотреть сквозь свои пальцы, видя то, что делается под ними и множество других подобных вещей.