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 Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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