Veštački list, prava fotosinteza?

Veštačka fotosinteza je u suštini simulacija (ali sa idejom da bude praktična) procesa koji se dešava u bilo kom listu na drvetu. Sam proces je dobijanje korisne energije koristeći prirodne sirovine: sunčevu svetlost, vodu i ugljen dioskid (CO2). Naučnici koji  se bave energetikom i hemijom, već duže vreme pokušavaju da osmisle neorgansku kopiju lista i samim tim obezbede novi izvor energije.

Do sada, neki od pokušaja su pokazali prosečene rezultate, ali istraživači iz MIT laboratorije tvrde da su napravili veštački list. Materijali koji su sastavni deo ovog specijalnog lista su u stabilnom stanju (za razliku od prošlih eksperimenata), ali preostao je jedan značajan problem da se reši – efikasnost uređaja. Međutim, to nije obeshrabrilo kompaniju Panasonic, da objavi vest da će ova kopanija investirati u tehnologiju vešatčke fotosinteze. Ugljen diokosid i svetlost će biti pretvarani u korisne hemikalije. Samo treba dodati vodu.

Konstrukcija veštačkog lista: 1 Oksidacija vode svetlosnom energijom, 2. Redukcija ugljen dioksida, 3. Ugljen dioksid, 4. Voda, 5. Kiseonik, 6. Izvor svetlosti, 7. Nitridni poluprovodnik, 8. Metalni katalizator, 9. Mravlja kiselina

Proces podrazumeva dve faze. Nitridni poluprovodnik pretvara sunčevu svetlost u tok elektrona koji razlaže vodu na njene sastojke: vodonik (H) i kiseonik (O). Sledeća reakcija pretvara ugljen dioksid (CO2) i vodonik (H) u metansku kiselinu (mravlja kiselina – CH2O2) putem metalne katalize. Pomenuta kiselina se široko koristi u proizvodnji tekstila i za očuvanje prehrambenih proizvoda (prisutna je u pčelama i otrovu mrava).

Efikasnost procesa se meri promilima, tačnije 2 stota dela. Zbog toga, tehnološki proces nije komercijalno isplativ, još. Kompanija Panasonic je već predstavila novu tehnologiju na konferenciji koja se bavi procesima fotokonverzije i skladištanje sunčeve energije.

Uvrnuta bežična veza od 2,5 terabita

Američki i izraelski istraživači su iskoristili iskrivljene vrtložne zrake (snopove) da emitijuju 2,5 terabita u sekundi (jedan CD sadrži 600 Mb, a 2,5 terabita je količina podataka koja staje na skoro 500 CD-ova). Što se tiče sadašnjeg razvoja tehnologije, to je najbrža bežična veza na svetu. Ova tehnologija može biti iskorišćena u bliskoj budućnosti za ogromno poboljšanje protoka podataka – bežičnim putem i kroz optičke kablove.

Ovi „uvrnuti“ signali koriste orbitalni ugaoni momenat (OUM) da poguraju mongo više podataka u jedan jednistven niz. Kod trenutnih transmisionih protokola (WiFi, LTE, COFDM), mi stalno baratamo sa spinskim ugaonim momentom (SUM) radio tgalasa, ali ne diramo OUM. Ako zamislite kretanje planete Zemlje, SUM je obrtanje planete oko svoje ose a OUM je kretanje Zemlje oko Sunca. Tehnološki proboj se sastoji u korišćenju novog protokla koji u isto vreme koristi SUM i OUM.

Konkretno, Alan Vilner (Alan Willner) i njegov tim istraživača sa univerziteta u Južnoj Kalironiji u kooperaciji sa univerzitetom u Tel Avivu (uz pomoć NASA laboratorije za mlazne pogone) su uvrnuli zajedno 8 snopova vidljive svetlosti od po, skoro, 300 gigabita u sekundi, koristeći OUM. Svaki od tih snopova je ima malo drugačiji orbitalni moment.

Jedna grupa od četiri snopa je emitovana kao jedinstven tanak niz, poput osovine, a druga grupa od 4 snopa je postavljena oko prvog zraka – kao neka vrsta omota. Tako zapakovan, snop je emitovan kroz otvoreni prostor (u ekspeirmentu na razdaljiui od samo jedan metar), da bi se na drugom kraju svi snopovi „odvrnuli“ stvarajući jedinstveni signal od 2,5 terabita u sekundi (oko 17 Blue-Ray diskova).

Ovo predstavlja veliko dostignuće, i to samo samo posle nekoliko meseci od objave rada autora Bo Tajd (Bo Thide), koji konačno pokazuje da je korišćenje orbitalnog momenta u emisiji signala moguće. U eksperimentu koji je sproveo Boov tim, OUM radio signal je poslat na distancu od 442 metra.

Tajd tvrdi da korišćenje orbitalnog momenta za prenos signala može omogućiti da pakujemo i uvijamo „beskonačan broj“ konvencionalnih transmisionih protokola, bez proširivanja delatnosti na nove intervale radio opsega. Teoretski, WiFi ili LTE signala i da ih uvrnemo u jedinstveni snop, i proporcionalno uvećamo propusni opseg. Što se tiče tehnologije mreža koje počivaju na optičkim kablovima, gde ima još mesta za poboljšavanje, stvari stoje malo drugačije. Tu se ne očekuje prevelika koristi od uvrtanja signala. Međutim, za bežične mreže to predstavlja oslobađanje, jer spektar radio signala već sada, skoro potpuno iskorišćen. Uvrtanjem signala ostvarili bismo, skoro, pa trajno rešenje u domenu bežičnih mreža. Link koji je projektovao Vilnerov tim ima efikasnost od 95,7 bita/Hz; LTE 16,32 bita/HZ; 802,11 2,4 bita/Hz. Digitalni TV signal (DVB-T) ima iskorišćenje od samo 0,55Hz.

Sledeći zadatak Vilerovog tima je da povećaju domet OUM signala. „Za konfiguracije gde je distanca do 1 km, a neophodan je veliki protok, ova tehnologija bi mogla biti vrlo dobra opcija. Naravno, postoji mogućnost za znatno dalju komunikaciju, od satelia do satelita, gde turbulencija nije problem.“ tvrdi Viller za BBC. U sadašnjem trenutku, glavni ograničavajući faktor je nedostatak odgovarajućeg hardvera i softvera da bi se manipulisalo sa OUM signalom. Bez obzira na to, budućnost bežičnih mreža deluje sasvim svetlo.

Rad je objavljen u časopisu Nature.

Pluton ima kompleksniju površinu nego što se ranije mislilo

Visoko osetljivi spektrograf koji se nalazi na svemirskom teleskopu Habl (Hubble) je otkrio vrlo jaki apsorber (upijač) ultra-ljubičastog zračenja na površini bivše planete Pluton. Ovo predstavlja dokaz da se na tom nebeskom telu nalaze (u stvari, postoji velika šansa da je tako) kompleksna jedinjenja vodonika i ugljenika (ugljovodonici). Sem toga, postoji slična šansa da se tamo nalaze i nitritni molekuli, koji leže na površini. Ovo otkriće je objavljeno u Astronomskom Žurnalu (Astronomic Journal). Autori su grupa naučnika sa Southwest istraživačkog instituta (Southwest Research Institute) i Univerziteta u Nebraski (Nebraska Wesleyan University).

Takve jedinjenja mogu nastati u interakciji sučeve svetlosti ili kosmičkih zraka sa, do sada, poznatom površinom Plutona, koju sačinjavaju led, metan (CH4), ugljen monoksid (CO) i azot (N).

Izvor: Southwest Research Institute

Elektronski paparazo – sistem koji će fotografisati elektrone tokom akta interakcije sa drugim česticama

U radu publikovanom u jednom od skorašnjih izdanja Nature of Photonics,  internacionalni tim (što je za svaku pohvalu) istraživača je objavio da su napravili značajan iskorak napred u proučavanju fizike elektrona. Sa ovim radom, deluje, da je naučna javnost za korak bliža vrlo zanimljivoj mogućnosti da se naprave efektivni video snimci pojedinačnih elektrona. Nivo mogućnosti koje se naziru je jednak onom kada jednom sa običnog vida ili sočiva pređete na optički mikroskop. Neki bi, jednostavno, rekli: progledao sam…

Šematski prikaz novog dizajna lasera koji će emitovati ultra kratke pulseve svetlosti. Svetlosni talasi različitih frekvencija (crveni i zeleni) su kombinuju u novi talas (žuti), koji prolazi kroz gas (plave tačkice). Svetlost pobuđuje atome gasa, koji, onda ispuštaju višak energije kao svetlost koja poseduje još veću frekvenciju.

Ako se ispostavi da je pristup dobar, to će praktično značiti da će naučnici biti u stanju da istražuju elektrone i njihove interakcije sa, do sada, neverovatnim nivoom detalja. To znači, sa aspekta hemije, da će jedan hemičar moći da posmatra reakciju pojedinačnih molekula. Slično važi za sve grane nauke i tehnologije koje se baziraju na saznanjima koja im pruža hemija.

Grupa istraživača je dosta velika i, samo, 8 njih je sa univerziteta MIT, iz elektronske istraživačke laboratorije ili Research Laboratory of Electronics (RLE). Tehnika koja bi omogućila ovako detaljan pogled u svet elektrona i molekula se bazira na korišćenju lasera. Osnovni koncept podrazumeva da se može proizvesti laserski snop koji bi trajao 1 atosekundu (attosecond), što predstavlja 1 milijarditi deo milijarditog dela sekunde, ili ako vam je teže da zamislite, evo i drugog zapisa: 10-18s. Tu već dolazimo do malog problema: najkraće izmereno vreme je „samo“ 100 atosekundi. Vratimo se laserima i da vidimo zašto je atosekunda toliko važna. Na primer, elektron u vodoniku (H2) obavi jednu revoluciju oko jezgra (jedna krug) za nekih 151 atosekundi. Da bi smo ga uhvatili kako „opšti“ nije nam dovoljan vremenski interval od 100 atosekundi, mora biti barem jedan red veličina manji, ako ne i dva. I taman toliko je atosekunda manja, za dva reda veličina. Kroz brojeve bi to bilo:

Za 151 atosekundu elektron obrne ceo krug ili 360°.

To znači da je potrebno za pola kruga oko 75 atosekundi.

Elektronu je, onda, potrebno 360 : 151 = 2.384 atosekundi da prebriše ugao od jednog stepena.

Dakle, puls od  jedne atosekunde je više nego dobrodošao.

„Ako možete stvoriti puls koji ima kraće trajanje, onda možete da ispitate dinamiku koja se odvija na toj skali“, kaže Franz Kartner (Franz Kaertner), profesor sa odeljenja za elektronski inženjering i kompjuterske nauke, koji je, inače, vodio celo istraživanje. „Ovo nas povezuje sa radom Harolda Edgertona (Harold Edgerton)“, u kome je on bio sposoban da napravi, sa optičkom fotografijom, snimke čije je trajanje bilo mereno u mikro i nano sekundama.“

Da, atosekundni pulsevi lasera su bili mogući i ranije, ali nisu imali dovoljnu jačinu, koja je potrebna za tzv vremensku spektroskopiju, tehnika koja se, tipično, koristi za merenje dinamike elektrona. Novi pristup stvaranju ovih laserskih pulseva, ne samo da će omogućiti veću snagu, nego i jednostavniju aparaturu, što je čini još praktičnijom nego ranije. Deluje kao kombinacija u kojoj svi dobijaju…

Mnogostrukost

Da bi se dobio izuzetno kratki puls svetlosti, neophodno je kombinovati svetlosne talase različitih frekvencija. Talas se može prikazati kao izvijena linija koja u pravilnim razmacima dostiže stalno istu tačku, gde je frekvencija, u stvari, „rastojanje“ između tih dvaju izbočina. Kada kombinujemo dva talasa, on se pojačava tamo gde se ove „izbočine poklapaju“, ali ako nema tog poklapanja dolazi do suprotnog efekta – međusobno se poništavaju. Sa pravom kombinatorikom moguće je napraviti novi talas sa radikalno drugačijom oblikom.

Crni talas je rezultat sabiranja plavog poketnog talasa i žućkastog neporetnog talsa

Drugi naučnici su pokušali da naprave kratke pulseve svetlosti kombinujući laserske zrake, ali su koristili za svaki zrak po jedan laser. Takav pristup u mnogome otežava proces sinhronizacije zrakova, u pokušaju da se njihove amplitude poklope na željeni način. Istraživači iz RLE odseka i njihove kolege sa univerziteta u Sidneju, politehničkog univerziteta u Milanu i hamburškog univerziteta su, umesto toga, provukli jedan laserski zrak kroz kristal koji ga deli na zrake sa različitim frekvencijama. Pošto su zraci iz istog izvora, oni ostaju i dalje savršeno sinhronizovani.

Sve kraće i kraće

Opisana tehnika, daje vrlo kratke laserske pulseve svetla, ali i dalje nisu na nivou atosekunde. Sledeći korak je propustiti dobijene pulseve kroz gas.  Kada čestice laserskog snopa – fotoni – udare u atome gasa, oni bivaju apsorbovani (uobičajena interakcija atoma i fotona), ali se odmah posle apsorpcije desi i proces ponovnog emitovanja novog fotona. Ovi poslednji, ponovo emitovani, fotoni mogu imati frekvencije koje mogu biti mnogo puta veće od onog fotona koji je udario u atom. Veće frekvencije znače još kraće pulseve svetlosti.

Međutim, RLE istraživači još nisu sproveli poslednji korak. Za sada, oni provlače laserski zrak kroz dva pojačavača da bi mu povećali energiju, ali i dalje ima potrebe za dodatnom energijom da bi izazvao dovoljno visoko frekventne fotone iz interakcije sa gasom. Dodavanje još jednog pojačavača bi trebalo da reši energetski problem, ali to, trenutno, uspostavlja dodatne tehničke i inženjerske probleme koji se moraju rešiti.

Jan Valmsli (Ian Walmsley), profesor fizike sa Oksfordskog univerziteta i vođa univerzitetske grupe koja se bavim kvantnom optikom (Ultrafast Quantum Optics Group), kaže da je modularnost pristupa ove grupe istraživača najveća prednost. „Pametan dizajn koji primenjuju Franz i njegove kolege koristi mogućnost da sve komponente rade u sinhronom režimu.“, tvrdi Valmsli. „Ovaj novi pristup, mislim da je vrlo važan jer, u principu, omogućava generisanje mnogo većih energija u tim kratkim pulsevima.“

Valsmli, doduše, sumnja da taj poslednji gasni korak u proizvodnji dovoljno kratkih pulseva svetlosti „neće biti jednostavan.“ Ali, odmah dodaje: „Postoje aspekti ovog pristupa problemu koji obećavaju. Može se pokazati kao izazov za sebe postići sve kraće i kraće impulse, ali mislim, da je moguće izvesti.“

Ok, i čemu sve to?

Recimo, na primer, da ne znamo mnogo o molekulima, atomima i elektronima. Krenimo samo od toga da se elektroni vrte oko jezgra. Zamislimo sada da je to isto kada bismo uzeli neki satelit i postavili ga da se okreće oko planete Zemlje. Ono što je problem naučnicima, još uvek, je činjenica da oni ne mogu da vide elektron kako se tačno kreće, jer je mnogo brz. Ako se vratimo na primer sa Zemljom to bi, sa bilo koje distance, izgledalo kao da naša planeta ima prsten poput onih koji se nalaze oko Saturna, jer se taj virtuelni satelit užasno brzo kreće.

Sada, sa novim metodama, elektron više nije tako brz, tačnije, on se i dalje kreće istom brzinom, ali naša kamera je sada „brža“ od njega. Prva dobra stvar – elektron će još biti opipljiviji, kao materijalni objekat. Drugo, njegova putanja će biti, teoretski, oslikana direktno, korak po korak.

Doduše, ostaje pitanje, šta se dešava sa definicijom elektronskih orbitala koja se mogla dosta često čuti i tokom školovanja:

„Orbitale su najverovatnije putanje na kojima se nalaze elektroni…“

Ako priča o laserima znači da će u prethodnoj rečenici reč najverovatnije biti zamenjena sa sigurno, to je za naučni svet, najverovatnije 🙂, veliki korak u istraživanju sveta elementarnih čestica.

Kvantni efekt vidljiv golim okom

Na prvi pogled zvuči vrlo zanimljivo i novo: prilikom eksperimenta, ispitivanja kvantnih efekata, umesto mehaničkih ili bilo kojih drugih detektora, korišćeno je ljudsko oko! Kvatni efekti se dešavaju na nivou atoma i na nivou sitnijih pod česetica, stoga… Kako su išta mogli da vide?

Nicolas Gisin, fizičar sa univerziteta u Ženevi, Švajcarska, smislio je novi test koji bi omogućio ljudkom oku da detektuje, primeti znake vezanih fotona (photon entanglment).

Zarad jasnosti, objasnimo šta to tačno znači. Fotoni, kao čestice (pridaje im se čestično-talsna priroda, ali mi ih ovde tretiramo kao da su čestice) mogu imati nekoliko osobina, ali najvažnije među njima su spin i polarizacija. Barem, za opis ovog efekta. Dva fotona koji imaju iste osobine (isti spin i polarizaciju) pokazuju zanimljivo ponšanje bez obzira na distancu koja ih deli. Kada izvršite merenje nad jednim fotonom, tada se momentalno dešava promena parametara, osobina drugog fotona koji je uparen sa prvim. Da bi ovo imalo smisla treba napomenuti da: merenje kvantnih efekata podrazumeva promenu osobina merenog subjekta. Da, iskustva iz makro sveta ne važe u mikro svetu. Znači, ova miskorskopska pojva je postala vidljiva i za ljudsko oko. Zvuči vrlo neverovatno…

Gisin i njegove kolege su, ustvari, bile inspirisane jednim starijim eksperimentom koji je obavio Fabio Šiarino (Fabio Sciarrino) i njegov tim na rimskom univerzitetu La Sapienza (Saznanje) u Italiji, još 2008. godine. Uglavnom, kada se fizičari bave vezanim fotonima, oni se bave manjim brojem njih u isto vreme. Rimski eksperiment je posmatrao dva vezana fotona i jedan od njih je “pojačan”, tako što je iskorišćen da se napravi cela lavina fotona (na stotine hiljada) koji imaju njegovo originalno stanje. Naizgled, ova kaskada fotona predstavljaju dovoljno jasnu vizuelizaciju kvantnog efekta vezanih fotona.

Do toga zaključka je Gisin odmah došao i pokušao je da to i pokaže, sprovede kroz svoju adaptaciju eksperimenta. Dok je italijanski ogled koristio uređaje za detekciju, dotle je švajcarski koristio same eksperimentatore, tačnije njihove oči.

Rezultat – naučnici sede u mraku svoje laboratorije, iščekujući svetlosnu potvrdu eksprimenta kome su dali da se stalno ponavlja. I da.. bi svetlost. Na taj našin kvantni efekat je postao vidljiv za ljudsko oko, prvi put u istoriji.

Naravno, ovo nije samo sedenje i piljenje u mrak. Korišćen je Bell test da bi se pokazala identičnost u polarizaciji i spinu, tačnije da su fotoni vezani. Dobijen je pozitivan rezultat, da su foton 1 i lavina fotona od fotona 2 u vezanom paru, svi sa istim osobinama (spin i polarizacija).

Gisin je imao, samo, zamerku da “su standardni detektori, ipak, brži i pouzdaniji i nisu se žalili na zamor.” Kada je neko nezadovoljan, onda je nezadovoljan…

Znači, to je bilo neko svojevrsno mikro-makro vezivanje fotona. Međutim, Gisin je sumnjao u verodostojnost Bellovog testa za makroskopske objekte. Pre nego što je ponovio eksperimet on je odlučio da tesira foton 2 sa Bellovim testom pre nego što napravi lavinu od njega. Prema već pomenutom principu merenja u kvantnoj mehanici, ovo merenje bi poremetilo spin i polaritet fotona 2 i lavina nastala od njega ne bi imala iste parametre kao foton 1. Potonji test nastale lavine ne bi dao poklapanje sa spinom i polarizaciojm fotona 1. Naravno, test je opet bio pozitivan, foton 1 i lavina su delili iste osobine.

Za “pozitivno” pogrešan rezultat nije razlog u prirodi detektora nego u urođenoj nesavršenosti bilo kog detektora, tačnije nivou osteljivosti koji predstavlja svojversnu “rupu”, kroz koju prođu određeni fotoni, a da ne budu detektovani. Kada se bavite malim brojem čestica, fotona, to ne dolazi toliko do izražaja, ali što je veči broj u uzorku, to je uticaj ovog nedostatka veći, do nivoa, da se konačni rezultat merenja znatno menja.

Cela ova kvantna priča još jednom potvrđuje pradavni problem kod izovđenja eksperimenata. Ne poznavanje svih uslova pod kojima se izvodi ogled, može dovesti do pogrešnih zakljuačka. Pogrešno može dovesti do zabluda, a zabulde do novih problema. U ovom slučaju, još jednom je potvrđeno vezivanje fotona na mikro nivou, ali to isto vezivanje na relaciji mikro-makro nivou nije potvrđeno, jer će Bell test uvek davati potvrdni rezultat.

Sciarrino i njegov tim su već neko vreme svesni da je njihov eksperiment mogao imati neki nedostatak u samoj postavci. Zbog toga, već neko vreme rade na preradi svog osnovnog eksperimenta, gde neće biti korišćeno ljudsko oko kao dektor – laser za amplifikaciju signala bi mogao da ga sprži.

Primene kvantnog ekfekta vezivanja fotona postoje, i najupečatljivija od njih je kod kompjuterskih mikro čipova. Bez dubljeg ulaženja u konkretnu primenu, ovaj eferkat omogućava da čipovi budu upola manji od onoga što se nekada smatralo fizičkim ograničenjem. Procenjuje se da to nije kraj mogućnosti i da čipovi mogu biti još više minjaturizovani zbog ovog efekta. Teoretski, naravno…

Do nedavno se smatralo da je, zahvaljujući ovom efektu, možda, moguća trenutna komunikacija, jer sama pojava ne trpi bilo kakvo kašnjenje u prenosu, bez obzira na rastojanje. Na žalost, trenutna komunikacija i dalje nije moguća, ali prakatični aspekti vezanosti fotona se i dalje ispituju, i mahom se mogu primeniti u razvoju kompjutera.