Рубрика: Наука

Фокусування спеціального лазерного променя через прозоре скло може створити крихітну пляму всередині матеріалу. Дослідники з Університету Тохоку повідомили про спосіб використання цієї маленької плями для покращення лазерної обробки матеріалів, підвищуючи роздільну здатність обробки.

Лазерна обробка, як і свердління та різання, життєво важлива в таких галузях, як автомобільна, напівпровідникова та медицина. Лазерні джерела надкороткого імпульсу з шириною імпульсу від пікосекунд до фемтосекунд забезпечують точну обробку в масштабах від мікронів до десятків мікрон. Але останні досягнення вимагають ще менших масштабів, нижче 100 нанометрів, чого важко досягти існуючими методами.

Дослідники зосередилися на лазерному промені з радіальною поляризацією, відомому як векторний промінь. Цей промінь створює поздовжнє електричне поле у ​​фокусі, утворюючи меншу пляму, ніж звичайні промені.

Вчені визначили цей процес як перспективний для лазерної обробки. Однак один недолік полягає в тому, що це поле слабшає всередині матеріалу через заломлення світла на межі розділу повітря-матеріал, що обмежує його використання.

«Ми подолали це, застосувавши масляну імерсійну лінзу об’єктива — те, що зазвичай зустрічається в біологічних мікроскопах — для лазерної обробки скляних підкладок», — вигукує Юічі Козава, доцент Інституту мультидисциплінарних досліджень передових матеріалів Університету Тохоку (IMRAM) і співавтор книги папір, документ. «Оскільки іммерсійна олія та скло мають майже однакові показники заломлення, світло, яке проходить через них, не викривляється».

Подальше вивчення поведінки радіально поляризованого променя при фокусуванні кільцевої форми показало, що поздовжнє поле значно посилюється. Це посилення відбувається через повне відбиття при великих кутах сходження на задній поверхні між склом і повітрям. Використовуючи кільцеву форму радіально поляризованого пучка, Козава і його колеги створили невелику фокусну пляму.

Звідти вони застосували цей метод для лазерної обробки скляної поверхні ультракоротким імпульсним лазерним променем. Один постріл перетвореного імпульсу на задній поверхні скляної підкладки створив отвір діаметром 67 нанометрів, приблизно 1/16 довжини хвилі лазерного променя.

«Цей прорив дозволяє безпосередню обробку матеріалу з підвищеною точністю за допомогою посиленого поздовжнього електричного поля», — додає Козава. «Він пропонує простий підхід до реалізації масштабів обробки нижче 100 нм і відкриває нові можливості для лазерної нанообробки в різних галузях промисловості та наукових сферах».

Еволюційний біолог з Університету Райса Скотт Іган і його дослідницька група виявили новий вид жука-тигра, який називається Eunota houstoniana, вшановуючи регіон Х’юстона, де він переважно мешкає.

Команда застосувала передову технологію генетичного секвенування разом із традиційними вимірюваннями їх зовнішнього вигляду та даними про географічний ареал, щоб перевизначити межі видів у комплексі видів Eunota circumpicta. Цей підхід, відомий як інтегративна таксономія, дозволив їм ідентифікувати різні біологічні об’єкти, на які раніше не звертали уваги.

«Дивно, що в межах міста Х’юстон ми досі не знаємо всіх видів комах або рослин, з якими ми живемо в нашому регіоні», – сказав Іган. «Мені завжди цікаво дізнатися більше про біорізноманіття узбережжя Мексиканської затоки».

Колись Eunota houstoniana вважалася синонімом більш поширеного Eunota circumpicta, але дослідження команди виявили значні відмінності, підкреслюючи необхідність уточненого процесу окреслення видів. Eunota houstoniana демонструє чіткі генетичні та фізичні характеристики. Він трохи менший за розміром, його металеве забарвлення більш приглушене, і він має унікальну поведінку та переваги середовища існування.

Новий вид тяжіє до засолених ґрунтів, які часто зустрічаються поблизу соляних куполів і місць видобутку нафти вздовж узбережжя Мексиканської затоки. Середовище його існування коливається від прибережних регіонів до внутрішніх районів, що демонструє його здатність до адаптації та екологічну значимість.

«Сподіваємось, наш інтегративний підхід до розмежування видів стане стандартом для галузі біології, де, на жаль, багато організмів не мають такого рівня уваги, як харизматичні жуки-тигри», — сказав Роберт Ларош, доктор екології та еволюційної біології Ph. .D. студент Rice та член дослідницької групи Egan.

Відкриття Eunota houstoniana підкреслює нагальність збереження біорізноманіття. Середовища його проживання все більше піддаються загрозі через урбанізацію та сільськогосподарську або промислову діяльність, і, за словами Ігана, незважаючи на те, що Eunota houstoniana виявлена ​​нещодавно, вона, ймовірно, є видом, якому загрожує зникнення.

«Через ріст навколо Х’юстона деякі з цих популяцій, ймовірно, вимерли, тоді як інші ховаються прямо під нашим задніми дверима», — сказав Іган.

Дослідницька група Ігана для Eunota houstoniana включає Ларош разом із провідним автором Деном Дюраном з відділу екологічних наук Університету Роуена; Ітан Булл, студент бакалаврату Rice; Девід Херрманн з Далласа; Вілл Годвін з Державного університету Сема Х’юстона; і Стів Роман, колекція членистоногих в Університеті штату Флорида.

«Це природа нашої співпраці в цьому проекті», — сказав Іган. «Це було б неможливо без зусиль усіх співробітників Райса, Сема Х’юстона, Університету Роуена та наших вчених-громадян».

У схожому проекті Іган і Ларош нещодавно описали ще один новий вид з того ж роду, Eunota luecophasma, або білого жука-привида із Західного Техасу, ще більше підкреслюючи різноманітність і важливість цих істот у нашому регіоні. Виявляючи та документуючи такі види, такі дослідники, як дослідники з лабораторії Ігана, створюють важливу основу для зусиль щодо збереження.

У Техасі відомо близько 62 видів жуків-тигрів, але, за словами Ігана, це, ймовірно, недооцінка існуючого різноманіття. Його робота в Rice з 2013 року відіграла важливу роль у розкритті та описі раніше невідомих видів комах у штаті. Eunota houstoniana є 17-м новим видом, описаним Іганом та його колегами протягом 11 років роботи в Райсі.

Роками повні трубки C₁₃₀ — молекули, що складаються зі 130 атомів вуглецю — існували лише в теорії. Тепер, очолюючи міжнародну групу вчених, докторант з фізики UdeM успішно показав їх у реальному житті — і навіть зумів зафіксувати деякі на фотографії.

Відкриття, вперше опубліковане в Інтернеті в жовтні минулого року, було зроблено Бурре як провідним науковцем міжуніверситетської групи, до якої також входили дослідники з Університету Пердью, Технічного університету Вірджинії та Національної лабораторії Оук-Рідж у Теннессі.

Фуллертрубка — це, по суті, сукупність атомів вуглецю, розташованих у замкнутій трубчастій клітці. Це пов’язано з фулеренами, молекулами, які представлені у вигляді кліток із з’єднаних між собою шестикутників і п’ятикутників і бувають різноманітних розмірів і форм.

Наприклад, фулерен C₆₀ складається з 60 атомів вуглецю і має форму футбольного м’яча. Він відносно невеликий, сферичний і дуже рясний. Рідше зустрічаються фулерени С_120. Вони довші й мають форму трубки, закритої з обох кінців двома половинками фулерену C₆₀.

Знаходиться в сажі

Повна трубка C₁₃₀ (або C₁₃₀-D_5h, її повна наукова назва) більш витягнута, ніж C₁₂₀, і навіть рідша. Щоб ізолювати його, Бурре та його команда створили електричну дугу між двома графітовими електродами для отримання сажі, що містить фулерен і молекули fullertube. Електронна структура цих молекул була розрахована за допомогою теорії функціоналу густини (DFT).

«Грунтуючись на принципах квантової механіки, DFT дозволяє нам розраховувати електронні структури та передбачати властивості молекули, використовуючи фундаментальні закони фізики», — пояснив керівник дисертації Бурре, професор фізики UdeM Мішель Коте, науковий співробітник Інституту Куртуа при університеті.

За допомогою спеціального програмного забезпечення Бурре зміг описати структуру молекули C130: це трубка з двома півкулями на кінцях, що робить її схожою на мікроскопічну капсулу. Його розміри трохи менше ніж 2 нанометрів у довжину та 1 нм у ширину.

«Структура труби в основному складається з атомів, розташованих у шестикутники», — сказав Бурре. «На двох кінцях ці шестикутники з’єднані п’ятикутниками, що надає їм округлу форму».

Бурре почав займатися теоретичною роботою над fullertubes у 2014 році під керівництвом свого тодішнього керівника Іржі Патери, професора математики UdeM. Після того, як Патера помер у січні 2022 року, Бурре звернувся до Коте, який став його новим керівником.

Наявність показано у 2020 році

За два роки до цього Бурре прочитав статтю професора Університету Пердью у Форт-Вейні Стівена Стівенсона, який описав експериментальну ізоляцію певних повних трубок, демонструючи їх існування, але не ідентифікуючи їх усіх. Під керівництвом Коте Бурре взявся за роботу над поглибленням знань з теми.

«Еммануель мав великий досвід абстрактної математики, — згадував Бурре, — і він додав цікавий вимір моїй дослідницькій групі, яка зосереджується на більш обчислювальних підходах».

«На даному етапі важко сказати, але однією з можливостей може бути виробництво водню», — сказав Коте. «Зараз використовується каталізатор із платини та рубідію, які є рідкісними та дорогими. Заміна їх вуглецевими структурами, такими як C₁₃₀, дасть змогу виробляти водень «зеленішим» способом».

Глобальне потепління та забруднення пластиком, як правило, розглядаються як непов’язані проблеми, натомість нерозривно потрапили в «порочне коло», де одне живить інше, повідомляють дослідники зі Швеції в Nature Communications. Взаємопідсилювальні відносини посилюють глобальне потепління, деградацію матеріалів, пластикових відходів і вимивання токсичних хімікатів у біосферу.

Пластмаси, на які ми покладаємося щодня, псуватимуться швидше через підвищення глобальної температури, і одним із наслідків буде попит на більше пластику. Сіньфен Вей, дослідник полімерних матеріалів із Королівського технологічного інституту KTH у Стокгольмі, каже, що задоволення цього попиту ще більше збільшить викиди парникових газів, які підвищать глобальну температуру.

«Утворюється цикл, що самозміцнюється, утворюючи порочне коло між зміною клімату та забрудненням пластиком», — каже Вей.

За даними Організації економічного співробітництва та розвитку (ОЕСР), у 2019 році пластмаси спричинили 3,4 відсотка світових викидів парникових газів, або близько 1,8 мільярда тонн, в основному через їх виробництво та переробку з викопного палива. Очікується, що до 2060 року ця сума збільшиться більш ніж удвічі.

Петля зворотного зв’язку

Дослідники описують петлю зворотного зв’язку, що пов’язує ці викиди з теплом, вологою та ослабленням структурних зв’язків, які надають полімерам широкий спектр корисних властивостей, термін для матеріалів, таких як пластик і гума, які утворюються з довгих ланцюгів великих молекул.

«Чим вище підвищення температури, тим більше погіршуються властивості матеріалів», — каже Вей. Жорсткість звичайно використовуваних пластмас, таких як поліетилен, поліпропілен і полівінілхлорид, зменшується більш ніж на 20 відсотків із підвищенням температури від 23 до 40 °C, каже він.

Це погіршення означає частішу заміну полімерних виробів — усього, від одягу до автозапчастин і побутової техніки — і, як наслідок, збільшення обсягів і темпів виробництва. За його словами, побічні ефекти варіюються від ненадійності харчової упаковки до забруднення водних шляхів і місць проживання риб через збільшення мікропластику.

Вплив на навколишнє середовище

У звіті також задокументовано вивільнення летючих органічних сполук (ЛОС) у потеплінні клімату, а також інших небезпечних сполук, включаючи мастила, антипірени, пластифікатори, антиоксиданти, барвники та УФ/теплостабілізатори. Тепло прискорить дифузію, випаровування та вимивання цих речовин у повітря, ґрунт та воду, йдеться у звіті.

Дослідники звертають увагу на комбінований вплив тепла та вологи, які разом підвищуються через глобальне потепління. «Тепліша атмосфера збільшує випаровування вологи, а також може утримувати більше водяної пари», — каже Вей.

Це погана новина для багатьох матеріалів, але вона завдає особливої ​​шкоди пластмасі в поєднанні з теплом. «Спільний вплив підвищення температури та вологи створює дуже складні умови для цих полімерів», — каже Вей.

Щоб подолати проблему забруднення пластиком і зміни клімату, Вей та співавтори закликали приділити увагу та мобілізувати зусилля в усіх секторах, залучених до життєвого циклу пластику.

Швидше танення льодовиків у Гренландії та Антарктиці могло стати причиною, через яку сильніше знизилася кутова швидкість Землі. Через це необхідність відняти високосні секунди може знадобитися на три роки пізніше.

Астрономічний рік, тобто час, за який Земля робить повний оберт навколо своєї осі, не збігається з календарним. Про це нагадує зокрема високосний рік, коли кожен четвертий лютий отримує додатковий день. Причина цього явища в тому, що швидкість, з якою обертається планета, є непостійною і кожної наступної доби незначно відрізняється від попередньої.

Щоб синхронізувати календарний рік з астрономічним, вчені стежать за зміною швидкості обертання Землі (кутової швидкості). Крім того, вони виявляють причини, що впливають на «поведінку» планети: це необхідно, щоб передбачати швидкість її подальшого обертання та найближчу необхідність регулювати всесвітній координований час (UTC).

«Настроюють» UTC за допомогою так званих високосних секунд. Коли календар розходиться із реальною швидкістю обертання Землі, одну секунду або додають до року, або, навпаки, віднімають із нього (негативна високосна секунда). Згідно з існуючими розрахунками, негативна високосна секунда мала вперше знадобитися у 2026 році. Однак нове дослідження показало, що це може статися на три роки пізніше — через те, що льодовики у Гренландії та Антарктиці почали танути швидше. Відповідну наукову статтю опублікував журнал Nature.

Дослідник із Каліфорнійського університету в Сан-Дієго проаналізував існуючі дані та прогнози про обертання Землі. Якщо виходити з того, що кутова швидкість розплавленого ядра Землі в останні десятиліття зменшувалася з постійною швидкістю (збільшуючи кутову швидкість решти, твердої частини планети), і екстраполювати цю закономірність на найближче майбутнє, то вийде, що відняти високосну секунду потрібно у 2026 році. Проте вчений зауважив, що через глобальне потепління та посилене танення крижаних шапок у Гренландії та Антарктиці швидкість обертання Землі зменшилася швидше, ніж це відбувалося раніше. За допомогою математичного моделювання автор статті виявив, що за нової швидкості негативна високосна секунда може не знадобитися до 2029 року.

Результати роботи вченого говорять про те, що через зміни у «поведінці» Землі відредагувати політику регулювання UTC доведеться раніше, ніж передбачалося. Щобільше, оскільки глобальне потепління та обертання планети виявилися тісно пов’язаними, за впливом першого процесу на другий необхідно продовжувати стежити у майбутньому.

Зміна швидкості, з якою обертається Земля, може стати причиною проблем у багатьох сферах, наприклад, у розподілених обчисленнях та фінансових ринках, оскільки вони потребують точної та стандартизованої часової шкали. Високосные секунди приносять незручності, оскільки заздалегідь запрограмувати їх облік неможливо: їх запроваджують виходячи з поточних спостережень за швидкістю обертання Землі. При цьому раніше секунди тільки додавали, і можливі наслідки безпрецедентного віднімання поки що невідомі.

Польський вчений Микола Коперник зробив революцію в астрономії, представивши геліоцентричну систему світу, в якій Земля та всі планети обертаються навколо Сонця. Однак прижиттєвих портретів знаменитого астронома та математика не збереглося, тому достеменно не відомо, як він виглядав.

Портрет Коперника, який дійшов до наших днів, написали в 1580 році, вже після смерті вченого в 1543-му.

Тепер за справу взявся бразильський дослідник і 3D-дизайнер Сісеро Мораїс (Cicero Moraes), який давно займається реконструкцією зовнішності стародавніх та середньовічних людей.

Мораїс використав виявлений у Польщі 19 років тому череп, який, як передбачається, належить Копернику. У черепа була відсутня нижня щелепа, тому реконструктор використовував базу даних людей, які нині живуть, мають схожі параметри черепа. Особа, що вийшла в результаті, дуже схожа на портрет Коперника 1580 року.