Панцири микроскопических водорослей вдохновили создание ультразвуковых медицинских датчиков
Междисциплинарная научная группа из Сколтеха определила резонансные частоты вибраций панцирей диатомовых. Так называются одноклеточные микроводоросли с узорчатыми экзоскелетами из «природного стекла» — диоксида кремния. Их структура, доведенная до совершенства эволюцией, привлекает инженеров, работающих над электронными и оптическими микроустройствами: крошечными ультразвуковыми датчиками для высокотехнологичной медицинской диагностики и сверхбыстрыми фотонными микросхемами, которые будут обрабатывать световые сигналы вместо электрических.
Однако без детального изучения свойств панцирей создать такие устройства не получится, и опубликованное в журнале Applied Physics Letters исследование — шаг в эту сторону. Диатомовые водоросли — основной компонент планктона. Они настолько широко распространены в океанах, реках и почвах, что на них приходится четверть всей биомассы планеты и пятая часть кислорода, который вырабатывают растения Земли.
Столь успешное приспособление этих организмов с их характерными прочными и легкими панцирями подтолкнуло ученых исследовать их свойства и структуру, что привело к их применению в ряде материалов и продуктов — от абразивного (шлифовального) компонента зубной пасты и состава для полировки металла до систем водоочистки и кошачьих туалетов. На очереди более высокотехнологичные приложения.
«В этой работе компьютерное моделирование сочетается с экспериментом, — рассказывает первый автор исследования, научный сотрудник Сколтеха Юлияна Цветинович, — В ходе моделирования резонансные частоты диатомовых в диапазоне от одного до восьми мегагерц были спрогнозированы, после чего мы получили первое известное экспериментальное подтверждение значений этих частот при помощи атомно-силового микроскопа». Измерения выполнил старший научный сотрудник Сколтеха Сергей Лучкин.
Знание резонансных частот этих микроскопических структур необходимо, чтобы воспроизвести их «природный дизайн» при изготовлении элементов крошечных устройств, сочетающих механику с оптикой (фотонные интегральные схемы) либо с электроникой (микроэлектромеханические системы). В свою очередь, устройства такого рода используются в качестве микрофонов гаджетов, датчиков давления в автомобильных шинах, акселерометров в гарнитурах виртуальной реальности, динамиков слуховых аппаратов, сенсоров в составе навигационных систем самолетов и так далее.
«Изделия, повторяющие структуру диатомовых панцирей можно было бы использовать в качестве основных компонентов таких и других устройств, где требуется высокая чувствительность к вибрациям или гашение вибраций, — пояснила Цветинович. — Дело в том, что в микромире даже сравнительно слабые вибрации могут негативно отражаться на производительности устройств. И тут могут помочь элементы, копирующие устройство панцирей».
Один из руководителей исследования, профессор Сколтеха Дмитрий Горин, заведующий Лабораторией биофотоники, привел пример прорывной области в медицине, развитие которой бы могли стимулировать новые микродетекторы ультразвука: «Наша лаборатория активно развивает инновационный метод медицинской диагностики, который называется оптоакустикой. Принцип работы основан на том, что при помощи безвредного для человека света возбуждаются ультразвуковые колебания интересующих нас объектов внутри организма — этими объектами могут быть клетки крови, капилляры и сосуды.
Термоупругая деформация, инициируемая лазерным импульсом, заставляет их издавать ультразвуковой сигнал. И если у вас есть очень чувствительный датчик, то вы можете „услышать“ этот сигнал и реконструировать местоположение и химический состав данных объектов в организме. Такой датчик можно изготовить на основе фотонных интегральных схем, а его сенсорная мембрана будет воспроизводить структуру панциря водоросли».
Ранее исследователи из Сколтеха предложили оптоакустический эндоскоп для микрохирургии и медицинской диагностики. Они также определили, как статические и динамические механические свойства панцирей диатомовых водорослей связаны с их структурой, что потребовало виртуозного с точки зрения владения атомно-силовым микроскопом эксперимента. Эти данные легли в основу компьютерного моделирования в новой статье в Applied Physics Letters, которая также не появилась бы без ранее опубликованных теоретических исследований по вычислению резонансных частот диатомей профессора Сколтеха Александра Корсунского; в новой работе он тоже выступил одним из научных руководителей.
Один из вариантов продолжения работы, по мнению самих ученых, — разработка искусственных структур на основе диатомовых водорослей и изучение их интеграции в ультразвуковые детекторы на основе фотонных интегральных схем в качестве высокочувствительных мембран.
Исследование, освещенное в пресс-релизе, выполнено междисциплинарным научным коллективом, в котором представлены Центр фотоники и фотонных технологий, Центр энергетических технологий и Центр системного проектирования Сколтеха. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Иногда лучшая помощь природе — просто оставить ее в покое и не мешать. Британские экологи доказали, что заброшенная фермерская пашня способна без миллионных затрат и покупных семян превратиться в роскошный цветущий луг. Для этого потребовалось лишь 11 лет времени и обычный ежегодный покос травы.
Ни один регион на Земле не обладает стопроцентной устойчивостью ко всем возможным глобальным катастрофическим рискам. Тем не менее существует место, имеющее максимальный запас прочности в такой ситуации, — и это Австралия.
Некоторые опасные для здоровья химические вещества продолжают обнаруживать в окружающей среде спустя десятилетия после того, как их использование решили ограничивать. Масштабный обзор европейских данных показал, где именно сохраняются эти загрязнители и насколько массовым было их распространение.
Биологи провели молекулярный анализ тканей человеческого мозга и выяснили, что при тяжелой депрессии останавливается процесс образования новых нейронов. Открытие показало, что природа заболевания кроется не только в химическом дисбалансе нейромедиаторов, но и в физическом нарушении клеточного обновления гиппокампа.
Приблизительно 130 миллионов лет назад, когда по земле бродили динозавры, какое-то млекопитающее пробежало по влажной песчаной дюне на территории современной южной части Бразилии. Размер оставленных этим древним существом следов поразил палеонтологов.
Иногда лучшая помощь природе — просто оставить ее в покое и не мешать. Британские экологи доказали, что заброшенная фермерская пашня способна без миллионных затрат и покупных семян превратиться в роскошный цветущий луг. Для этого потребовалось лишь 11 лет времени и обычный ежегодный покос травы.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно