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 Мужчина, отправившийся на утреннюю прогулку на юго-западе Норвегии, случайно сделал крайне редкую и ценную находку — золотое украшение для ножен меча в виде переплетенных между собой змееподобных существ. По мнению ученых, в VI веке нашей эры этот артефакт специально поместили в трещину в скале в качестве подношения богам во времена голода и социальных потрясений.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Канадские исследователи идентифицировали останки четырех членов пропавшей полярной экспедиции Джона Франклина 1845 года, сравнив их ДНК с генетическим материалом современных потомков. Открытие решило полуторавековую загадку с переодетым матросом и помогло восстановить маршрут отступления экипажа по льдам. Выяснилось, что при эвакуации моряки разделились по кораблям, после чего бросили ослабевших товарищей в спасательных шлюпках.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
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