據(jù)俄羅斯科技網(wǎng)不久前報(bào)道,莫斯科國(guó)立大學(xué)精細(xì)化工技術(shù)學(xué)院、俄羅斯科學(xué)院生化物理研究所和化學(xué)物理研究所的三個(gè)頂尖科研小組宣布,他們利用光敏配合基和硒化鎘,成功合成了一種光控納米復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的性能可以通過(guò)改變特定波長(zhǎng)的光照射而發(fā)生變化,可用于“智能”光敏控制設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在《俄羅斯納米技術(shù)》雜志上。
通過(guò)光線照射使光敏配合基的性能發(fā)生有針對(duì)性的變化,這是當(dāng)前非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域。通常,這一研究領(lǐng)域的成果將有助于建立一些智能設(shè)備的原型,如分子光開(kāi)關(guān)、光控邏輯模塊、檢測(cè)離子的傳感器設(shè)備等等。研制出的最終產(chǎn)品將應(yīng)用于生物信息學(xué)、納米醫(yī)學(xué)和其他一些應(yīng)用科技領(lǐng)域。
科學(xué)家們成功地將配合基分子固定在硒化鎘納米粒子的表面,從而形成了復(fù)合連接。其中無(wú)機(jī)納米硒化鎘(科學(xué)家稱之為量子點(diǎn))具有熒光控制的特點(diǎn)。所謂熒光控制,是指一些原子和分子具有吸收較高能量的光子,然后釋放能量較低光子的特殊能力,例如一些熒光染料,它們能夠吸收太陽(yáng)輻射出的不可見(jiàn)紫外線,然后自身發(fā)出可見(jiàn)光。這種光線的顏色很飽和,我們?cè)谖鑿d里常常會(huì)看見(jiàn)這種熒光燈發(fā)出的光芒。硒化鎘量子點(diǎn)的熒光特性毫不遜于有機(jī)熒光分子,后者在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上廣泛得以使用。例如,量子點(diǎn)發(fā)出的波長(zhǎng)取決于納米粒子的大小,通過(guò)改變納米粒子的大小就可以指定它們發(fā)出波長(zhǎng)的頻譜區(qū)域,這一特性有助于建立具有良好靈敏度和清晰度的單分子光敏系統(tǒng),其在納米級(jí)無(wú)機(jī)量子點(diǎn)的研究中被廣泛應(yīng)用。
在此項(xiàng)研究中,科學(xué)家使用一個(gè)直徑為3.7nm的硒化鎘粒子,這種納米粒子尤其善于吸收最大波長(zhǎng)為585nm的可見(jiàn)光。光敏配合基根據(jù)光的影響而改變其配置能力,進(jìn)而改變硒化鎘量子點(diǎn)的熒光光譜和大小。在原始復(fù)合材料中可明顯觀察到波長(zhǎng)598nm的量子點(diǎn)熒光。用短波照射復(fù)合材料后,材料的配置發(fā)生變化,開(kāi)始發(fā)出波長(zhǎng)為670nm的熒光。如果把復(fù)合材料放置在黑暗中或用可見(jiàn)光照射一段時(shí)間,配合基分子會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原始狀態(tài),而復(fù)合材料也趨于最初的熒光特點(diǎn)?;诖嗽恚麄儷@得了這種通過(guò)改變特定波長(zhǎng)的光照射來(lái)控制屬性的復(fù)合材料。此外,這種變化是可逆的,復(fù)合材料可以很容易地返回到其原始狀態(tài)。這一研究結(jié)果對(duì)構(gòu)建光敏智能控制系統(tǒng)原型具有良好前景,可用于特殊領(lǐng)域的光敏開(kāi)關(guān)。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)
實(shí)時(shí)3D微觀組織成像技術(shù)的出現(xiàn)不啻為癌癥診斷、微創(chuàng)手術(shù)和眼科等醫(yī)療領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月23日?qǐng)?bào)道,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出用計(jì)算自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正光學(xué)層析成像的畸變技術(shù),給未來(lái)醫(yī)療的“高清”成像帶來(lái)前景。相關(guān)技術(shù)成果刊登在最新一期美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》在線版上。
美國(guó)貝克曼研究所高級(jí)科學(xué)和技術(shù)博士后研究員史蒂芬說(shuō):“該技術(shù)能夠超越現(xiàn)在的光學(xué)系統(tǒng),最終獲得最佳品質(zhì)的圖像和三維數(shù)據(jù)。這將是非常有用的實(shí)時(shí)成像技術(shù)?!?/p>
畸變?nèi)缟⒐饣蚺で_著高分辨力成像。其會(huì)使對(duì)象細(xì)點(diǎn)的地方看上去如斑點(diǎn)或條紋。分辨力越高,問(wèn)題會(huì)變得更糟糕。這是在組織成像中特別棘手的問(wèn)題,而精度對(duì)于正確診斷至關(guān)重要。
自適應(yīng)光學(xué)可以校正成像的畸變,被廣泛應(yīng)用于天文學(xué)來(lái)校正當(dāng)星光過(guò)濾器通過(guò)大氣層的變形。醫(yī)學(xué)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始將這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的硬件應(yīng)用于顯微鏡,希望能改善細(xì)胞和組織成像。
但伊利諾伊大學(xué)生物工程內(nèi)科醫(yī)學(xué)的電子和計(jì)算機(jī)工程教授斯蒂芬指出,這同樣富有挑戰(zhàn),將其應(yīng)用于組織、細(xì)胞成像,而不是通過(guò)大氣對(duì)星星成像,存在很多光學(xué)上的問(wèn)題?;谟布淖赃m應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴,調(diào)整繁瑣,故不太適用于醫(yī)療掃描。
由此,該團(tuán)隊(duì)采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)發(fā)現(xiàn)并糾正圖像畸變,替代硬件的自適應(yīng)光學(xué),稱為計(jì)算自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。研究人員用此技術(shù)演示了大鼠肺組織含有微觀粒子凝膠的幻影。用光學(xué)成像設(shè)備干涉顯微鏡的兩束光掃描組織樣本,計(jì)算機(jī)收集所有數(shù)據(jù)后,糾正所有的深度圖像,使模糊的條紋變成尖銳的點(diǎn)而特征顯現(xiàn),用戶可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊改變參數(shù)。研究人員說(shuō):“我們能夠糾正整個(gè)研究體積的畸變,在其任何地方呈現(xiàn)高清晰度圖像。由此,現(xiàn)在可以看到以前不是很清楚的所有組織結(jié)構(gòu)?!?/p>
該技術(shù)可以應(yīng)用于許多醫(yī)院和診所的臺(tái)式電腦,可對(duì)任何類(lèi)型進(jìn)行干涉成像,如光學(xué)相干斷層掃描。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報(bào)道,美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)系教授安德魯·??怂共┦堪l(fā)明了一種新型廣角大幅“微妙曲面鏡”,可作為機(jī)動(dòng)車(chē)的后視鏡消除危險(xiǎn)的“盲點(diǎn)”,以最小的失真極大擴(kuò)展司機(jī)的視野。該技術(shù)已于5月獲得了美國(guó)專(zhuān)利。
傳統(tǒng)的平面鏡可幫助司機(jī)在駕駛時(shí)與后車(chē)保持適當(dāng)?shù)木嚯x,但這是基于一個(gè)非常狹窄的視角,因此存在司機(jī)通過(guò)車(chē)側(cè)面的或后面的視鏡都看不到的盲點(diǎn)。而使鏡子彎曲就可以具有一個(gè)更寬廣的視野,很容易做到無(wú)盲區(qū),但是會(huì)出現(xiàn)視物扭曲變形,對(duì)象顯得小且遠(yuǎn)。
一般司機(jī)的平面?zhèn)如R角度是15°~17°,而這種新型鏡子作為外后視鏡有一個(gè)約45°的角度。其不同于簡(jiǎn)單的曲面鏡會(huì)壓扁所感觀對(duì)象的形狀,使直線出現(xiàn)彎曲,在這種鏡子中,形狀和直線在視覺(jué)上的扭曲幾乎檢測(cè)不到。
希克斯使用一種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法設(shè)計(jì)鏡面,精確地控制由彎曲鏡子反射出的光線角度。他說(shuō):“試想一下,鏡子的表面有許多較小的轉(zhuǎn)向不同角度的鏡面,如同一個(gè)迪斯科球面。這種算法是一組運(yùn)算操縱每一個(gè)迪斯科球面鏡片的方向,使每扇鏡面的反射光線匯集所顯示的場(chǎng)景對(duì)司機(jī)而言更寬廣,而不至于太扭曲?!毕?怂乖?008年曾在《光學(xué)快報(bào)》上第一次描述過(guò)用于開(kāi)發(fā)這種鏡子的方法。
美國(guó)規(guī)定,汽車(chē)在裝配線上必須在駕駛員一側(cè)安裝平面鏡。而曲面的反射鏡則安裝在乘客一側(cè)的后視鏡上,并且要求“鏡中的物體比其顯示的要更靠近些”,因此這種新型的后視鏡還不能很快被安裝在銷(xiāo)售的新車(chē)上。不過(guò),其可以在二級(jí)市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷(xiāo)售,司機(jī)和機(jī)械師可以購(gòu)買(mǎi)后安裝在汽車(chē)上。在歐洲和亞洲一些國(guó)家不允許新車(chē)上有稍微彎曲的鏡子。??怂沟陌l(fā)明已經(jīng)引起了一些投資者和制造商的興趣,他們有意尋求機(jī)會(huì)取得生產(chǎn)許可證,大量生產(chǎn)這種鏡子。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)
從一個(gè)受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎,細(xì)胞要經(jīng)過(guò)上千次分裂和復(fù)雜的排列重組。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月3日?qǐng)?bào)道,霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究院珍妮莉婭法姆研究學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種最新的成像技術(shù),能以前所未有的速度和精確度看到這一過(guò)程,讓人們能追蹤胚胎成形時(shí)每個(gè)細(xì)胞在幾天甚至幾小時(shí)內(nèi)的變化。相關(guān)論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學(xué)》上。
研究人員演示了一段約20h的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中,生物結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn),從一小團(tuán)簡(jiǎn)單的細(xì)胞簇慢慢變長(zhǎng),變成上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞緊緊擠在一起的拉長(zhǎng)的小胚胎,然后在新形成的肌肉收縮舒張下開(kāi)始顫動(dòng),此時(shí)胚胎僅有0.5mm長(zhǎng)。此外,論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)完整的發(fā)育視頻,跟蹤了單個(gè)細(xì)胞發(fā)育出感覺(jué)器官、腦葉及其他結(jié)構(gòu)的過(guò)程,由于分辨力足夠高,還能看到神經(jīng)軸突尖端迅速變化。
發(fā)明該技術(shù)的珍妮莉婭法姆研究學(xué)院的菲利普·凱勒說(shuō),要理解一個(gè)單細(xì)胞怎樣變成了復(fù)雜的組織,真實(shí)看到這一過(guò)程非常重要。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡速度太慢,無(wú)法跟蹤細(xì)胞在生命初期的迅速變化,也容易破壞一個(gè)活胚胎,只能通過(guò)把多階段、多組織的照片拼在一起,才能推測(cè)發(fā)生的變化,但“細(xì)胞分裂重組每次都不一樣,這種觀察方法可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)”。
新技術(shù)基于一種高速非侵入式光學(xué)顯微鏡,稱為SiMView光層顯微鏡,能從4個(gè)角度同時(shí)拍攝圖像,不僅能跟蹤細(xì)胞運(yùn)動(dòng),還能對(duì)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國(guó)的歐洲分子生物實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā),攻克了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的兩個(gè)難題:一是光源對(duì)樣本造成的傷害,二是對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
大部分光源都會(huì)傷害細(xì)胞,使其中的熒光標(biāo)記消失。研究小組設(shè)計(jì)的照明技術(shù)是一種激光掃描層,一次照射樣本極薄的一層以減少傷害,由探測(cè)儀記錄下被照亮的部分。光層來(lái)自兩個(gè)相反方向,并用兩個(gè)探測(cè)儀來(lái)探測(cè)熒光,照明與探測(cè)相結(jié)合,提供了4個(gè)不同的觀察角度。不僅能避免由于光散射而造成的模糊,還將圖像采集速度提高了50倍。
要讓照亮樣本和探測(cè)熒光在時(shí)間、位置上協(xié)調(diào)一致,時(shí)機(jī)吻合極為重要,光層交叉通過(guò)會(huì)造成圖像模糊,發(fā)光間隔僅幾毫秒。為了保持精度,SiMView還安裝了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的電子系統(tǒng)。
顯微鏡每秒會(huì)收集350MB的數(shù)據(jù),一個(gè)樣本一天要產(chǎn)生海量數(shù)據(jù),而不同條件或不同基因的發(fā)育對(duì)比實(shí)驗(yàn),所要求的數(shù)據(jù)比這還要多好多倍。為此,研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的計(jì)算方法,能識(shí)別并跟蹤顯微鏡視頻中單個(gè)細(xì)胞并自動(dòng)分析。這些都構(gòu)成了拍攝活樣本這一完整技術(shù)框架的必要組成部分。
凱勒表示,他們還將繼續(xù)改進(jìn)顯微鏡使計(jì)算過(guò)程更加有效。今后不僅能追蹤胚胎中細(xì)胞的一代代世系,還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機(jī)制,并研究其他更大更復(fù)雜樣本的發(fā)育過(guò)程。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報(bào)道,美國(guó)斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)組成的一個(gè)聯(lián)合工程師團(tuán)隊(duì)首次使用等離子體激元?jiǎng)?chuàng)建出一個(gè)可以探測(cè)光同時(shí)也可以隱形的新設(shè)備,應(yīng)用于先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和數(shù)碼相機(jī)中,可生成更為清晰、更準(zhǔn)確的照片和影像。該研究成果發(fā)表于《自然光子學(xué)》在線版上。
等離子體激元,即在光激發(fā)下的金屬納米結(jié)構(gòu)中自由電子氣集體振蕩,是目前可以突破光的衍射極限來(lái)實(shí)現(xiàn)納米尺度上對(duì)光操縱的新型量子態(tài),為光學(xué)元器件和芯片的小型化以及未來(lái)信息領(lǐng)域超越摩爾定律帶來(lái)了曙光。
新研究首次將等離子體激元這一概念用于光電子探測(cè)隱形設(shè)備。研究人員稱,在其上的反光金屬涂層可使一些東西看不見(jiàn),使這種設(shè)備不可直觀,由此創(chuàng)建出一種隱形的光檢測(cè)器裝置。該設(shè)備的核心是由薄薄的金帽覆蓋硅納米線。研究人員通過(guò)調(diào)整硅中的金屬比例,即一種調(diào)諧其幾何尺寸的技術(shù),精心設(shè)計(jì)了一個(gè)“電漿斗篷”,其中金屬和半導(dǎo)體中的散射光相互抵消,從而使該設(shè)備不被看見(jiàn)。該技術(shù)的關(guān)鍵在于,在薄金涂層中建立一個(gè)偶極子,與硅的偶極子在力量上可對(duì)等。當(dāng)同樣強(qiáng)烈的正負(fù)偶極子相遇時(shí),它們之間相互抵消,系統(tǒng)就會(huì)變得不可見(jiàn)。
研究人員說(shuō):“我們發(fā)現(xiàn),一個(gè)精心設(shè)計(jì)的金殼極大地改變了硅納米線的光學(xué)響應(yīng)。在金屬絲中光吸收略有下降,而由于隱形效果,散射光會(huì)下降100倍。實(shí)驗(yàn)同樣證明,在計(jì)算機(jī)芯片中常用的其他金屬如鋁和銅也會(huì)具有同樣效果。之所以能夠產(chǎn)生隱蔽性,首先是金屬和半導(dǎo)體的調(diào)整。而如果偶極子沒(méi)有正確對(duì)齊,隱形效果則會(huì)減弱甚至失去。所以只有在適量材料中的納米尺度下,才能做到最大程度的隱形。”
研究人員預(yù)測(cè),這種可調(diào)的金屬半導(dǎo)體設(shè)備在未來(lái)將用于許多相關(guān)領(lǐng)域,包括太陽(yáng)能電池、傳感器、固態(tài)照明、芯片級(jí)的激光器等。例如,在數(shù)碼相機(jī)和先進(jìn)的成像系統(tǒng)中,等離子體激元的隱形像素可能會(huì)減少由于相鄰像素之間破壞性串?dāng)_產(chǎn)生圖像模糊的狀況,從而生成更清晰、更準(zhǔn)確的照片和醫(yī)學(xué)影像。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報(bào)道,美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)一種插座轉(zhuǎn)換設(shè)備使發(fā)光二極管(LED)能夠比其消耗的電功率釋放出更多光功率,電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到100%以上。相關(guān)研究發(fā)表于最新一期的《物理評(píng)論通訊》上。
LED發(fā)光原理是將電能轉(zhuǎn)換為光。目前,設(shè)計(jì)出既明亮又高效的LED燈的最大障礙之一,是增加LED燈的輸出功率反而導(dǎo)致其效率下降。而麻省理工學(xué)院的研究人員解釋說(shuō),他們的研究成果大大降低了外施的電壓。根據(jù)計(jì)算,當(dāng)電壓減少到一半,輸入功率降低了4倍,而發(fā)出的光功率與電壓保持一致,也達(dá)到一半。換言之,當(dāng)輸出功率下降時(shí)LED發(fā)光率卻在增加。
在實(shí)驗(yàn)中,研究人員減少了LED的輸入功率,僅30pW,而測(cè)量到輸出達(dá)69pW的光量,效率高達(dá)230%。將相同的物理機(jī)制作用于任何LED,在外施電壓作用下,電子和空穴有一定的概率產(chǎn)生光子。研究人員并沒(méi)有像其他的研究一樣試圖增加這種概率,而是利用發(fā)生于設(shè)備里原子晶格的振動(dòng)所散發(fā)的少量余熱產(chǎn)生更多電力。
這種利用余熱發(fā)光的過(guò)程可使LED稍微冷卻,其操作類(lèi)似一個(gè)熱電冷卻器。雖然在室溫條件下,冷卻不足以提供實(shí)用性的溫度,但它有可能被用于設(shè)計(jì)不產(chǎn)生熱量的燈。當(dāng)作為熱泵時(shí),該設(shè)備可有助于固態(tài)冷卻應(yīng)用程序,甚至是發(fā)電機(jī)設(shè)備。
理論上,這個(gè)低壓策略能夠在低電壓下產(chǎn)生任意高效的光子,研究人員希望該技術(shù)能提供一種新的測(cè)試節(jié)能極限電磁波通訊的方法。雖然在科學(xué)上這個(gè)方法很有趣,但其還不會(huì)立即促使超效率的LED商業(yè)化,因?yàn)槭痉俄?xiàng)目?jī)H能用很低的輸入功率產(chǎn)生少量的光。
(摘自《科技日?qǐng)?bào)》)