Vísindamenn temja ljósið

Bylgjur og öreindir eru í senn bæði sýnilegar og ósýnilegar – ljósið er fullt af dularfullum eiginleikum og þá nýta vísindamenn nú til að umbylta svo ólíkum hlutum eins og skjátækni, varðveislu orku og krabbameinsmeðferð.

BIRT: 16/01/2022

LESTÍMI:

7 mínútur
Share on facebook

LÝSING

 

Hvítt leysiljós verður að nýrri rafmagnsperu

Leysiljós er ákaflega nákvæmt og meira orkusparandi en það LED-ljós sem er núna notað í bæði ljósaperum og sjónvarpsskjám.

 

Fram til þessa hefur hins vegar einungis verið mögulegt að skapa litað leysiljós en nú hefur vísindamönnum við Arizona State University tekist að framleiða kristal sem veitir hvítt leysiljós.

 

Kristallinn sendir frá sér þrjá mismunandi liti – rautt, grænt og blátt – en með hjálp spegla má blanda þeim saman þannig að út komi hvítt ljós.

 

Þessi nýi leysikristall er aðeins um fimmtungur af þvermáli mannshárs og er skapaður með því að rækta svokallað nanóarkar-lag sem samanstendur af lögum af efninu sinksúlfíði, kadmíumsúlfíði og kadmíumseleníti.

 

Nanótæknin sem kallast MSHN (Multi-Segment Heterostructure Nanosheets), veitir allt að 70% fleiri liti en LED með mun minni orkunotkun.

 

Þannig getur það leyst af hólmi LED-ljósaperur og veitt mönnum nýja skjái fyrir tölvur og snjallsíma, meiri skerpu og fjölbreyttari litasamsetningu.

Salli settur í upphitað rör

Lokað rör er hitað upp þannig að hitastigið í rörinu er breytilegt. Við 840°C er sett ílát með salla af kadmíumselenídi (CdSe), en sinksúlfíðsalli (ZnS) er notaður við 980°C.

Járnstöng færist fram og til baka

Járnstöng með kísli færist fram og til baka í rörinu. Frumefnin Zn, Cd, S og Se binda sig við kísilinn hvert við sitt hitastig og mynda þannig kristal með lagskiptri uppbyggingu.

Rauður, grænn og blár verður hvítt

Kristallinn er einungis fimmtungur af þvermáli mannshárs. Þegar lýst er á hann senda lögin hver sína bylgjulengd – rautt, grænt eða blátt ljós – sem má samþætta í hvítt leysiljós.

 

Hvítir leysigeislar munu gera þráðlaus net framtíðar, li-fi, langtum hraðvirkari. Li-Fi nýtir ljóspúlsa í staðinn fyrir útvarpsbylgjur.

 

Li-Fi með LED getur verið tíu sinnum hraðvirkara en wi-fi og með því að skipta út LED fyrir hvíta leysigeisla eykst hraðinn aftur 10 – 100 falt.

 

Skammtapunktar veita skýrari liti

Skammtapunktar, (e. quantum dots) eru nanóeindir úr hálfleiðandi efni sem sendir frá sér ljós í mismunandi litum, allt eftir stærð þeirra.

 

Skammtapunktar með tveggja milljónustu hluta úr millimetra (nanómetri) þvermál lýsa t.d. bláu þegar kveikt er á þeim. Skammtapunktar geta veitt okkur sjónvarps- og snjallsímaskjái með betri litum. Það stafar af því að svokallaðar ljósrófslínur þeirra eru grennri.

 

Frumlitirnir rauður, grænn og blár, verða m.ö.o. betur aðgreindir hver frá öðrum og það gerir mönnum kleift að búa til skýrari litbrigði.

Stærð punktsins ræður litnum

Stærð skammtapunkts ákvarðar hvaða lit hann gefur frá sér. Með þvermál sem er t.d. tveir nanómetrar verður punkturinn blár en sjö nanómetrar sýna rautt ljós.

 

Skammtapunktar þurfa ennfremur minna rafmagn. Í venjulegum LED-skjá kemur ljósið yfirleitt frá bakpaneli sem sendir blátt ljós gegnum gult lag af fosfóri.

 

Með því að setja skammtapunkta í staðinn fyrir fosfór sem sendir allt að 99,6% af ljósinu aftur, glatast minna af upprunalegri orku. Það gerir skerminn skýrari og jafnframt sparar það orku.

HEILBRIGÐI

Ljósameðferð virkjar krabbalyf með lampa. Nú geta læknar einnig lýst inn í sjálfa frumuna.

Ljósið stefnir beint á krabbann

Brjóstakrabbi dreifist oft út í beinmerg þar sem erfitt getur verið að berjast gegn krabbafrumunum án þess að drepa á sama tíma lífsnauðsynlegar stofnfrumur.

 

Nú hafa vísindamenn við Washington University í BNA fundið aðferð til þess að hitta einungis krabbameinið með hjálp ljóss.

 

Grunnhugmyndin er að nýta krabbalyf sem eru skaðlaus þangað til þau verða fyrir ljósi. Þessi svonefnda ljósameðferð er nýtt nú þegar í dag til að meðhöndla æxli grunnt undir húðinni.

 

Þá er lyfið virkjað með því að lýsa sjúklinginn með bláu eða rauðu ljósi en með þessari nýtilkomnu aðferð er lyfið lýst upp inni í sjálfri frumunni.

 

Hylkið leiðir lyfið inn í krabbafrumuna

Nanóhylki með ljósnæmu krabbameinslyfi eru leidd inn í beinmerginn. Þar tengjast hylkin sameindum á krabbameinsfrumunum og flytja lyfið inn til þeirra.

Hungraðar krabbafrumur gleypa geislavirkt efni

Sérstök geislavirk efni, FGG, eru leidd inn í beinmerginn og þar sem krabbafrumur eru með örari efnaskipti en venjulegar frumur taka þær langmest af þessu geislavirka efni í sig.

Blátt ljós virkjar lyfið inni í frumunni

Geislavirku efnin senda frá sér útfjólublátt og blátt ljós sem virkjar ljósnæmt lyfið í krabbafrumunni og drepur hana. Stofnfrumur í beinmergnum skaðast ekkert.

 

Fyrst er leitt ljósvirkt lyf inn í beinmerginn með nanóhylkjum.

 

Á yfirborði þeirra er að finna efni, LLP2A sem tengist sameindinni VLA-4 á krabbafrumunni.

 

Síðar er sprautað geislavirka efninu FGG, Fluor Deoxið Glukósa, inn í beinmerginn þar sem svonefnd GLUD-prótein á krabbafrumunum taka það í sig. FGG sendir frá sér ljós sem virkjar lyfið inni í frumunni.

 

Þar sem stofnfrumur í beinmergi hafa ekki sömu samsetningu af VLA-4 sameindinni og GLUD-próteininu eins og krabbameinsfrumur, skaðast þær ekki af meðferðinni.

 

Leysibyssa skýtur 80 malaríumýflugur á sekúndu

Nýtt vopn er að berast í baráttuna gegn malaríumýflugunni og öðrum skordýrum sem eru smitberar.

 

Phonotic Fence er leysibyssa sem styðst við vídeómyndavélar, LED og leysigeisla til að bera kennsl á og drepa skordýr innandyra.

 

Leysibyssa ber kennsl á malaríumýflugur á vængjaslættinum áður en hún er skotin niður.

 

Ekki er búið að fullkomna þessa uppfinningu ennþá en hún samanstendur af tveimur meginhlutum: Kennslaburðarbúnaði sem velur rétt skotmörk og leitarbúnaði sem skráir hvenær skordýrin hreyfa sig innan skotvíddar.

 

Leitarbúnaðurinn samanstendur af vídeómyndavél, innrauðum ljósdíóðum og sérstakri filmu sem endurvarpar innrauðu ljósi frá veggjum.

 

Myndavélin er tengd við tölvu með myndgreiningarforriti sem getur borið kennsl á útlínur mýsins, þegar ljósið kastast af veggjunum fyrir aftan skordýrin.

 

Leitarbúnaðurinn skráir í sífellu stöðu skordýranna og út frá þeim hnitum er skotið grænum leysigeisla sem lýsir upp mýfluguna meðan skynjari nemur sveiflur í magni þess ljóss sem endurvarpast frá vængjaslætti mýflugunnar.

 

Út frá tíðni vængjaslættisins má ákvarða tegund skordýrsins og ef þetta er malaríumýfluga er skotið banvænum leysigeisla að kvikindinu.

 

Sem komið er getur þessi búnaður drepið 80 mýflugur á sekúndu en stefnt er að því að margfalda þann afrakstur.

 

Smásjá fjarlægir skugga

Ljósbylgjur sem endurmóta sig sjálfar eftir að hafa rekist á hindrun, t.d. vef í líkama – þetta er mögulegt með nýrri gerð smásjár sem skilar iðrum líkamans með mun skarpari hætti.

 

Þegar ljósið í optískri smásjá skellur á ógagnsætt fyrirbæri myndast skuggamynstur á bak við.

 

Fyrirbærið nefnist bylgjubeygja og stafar af því að ljósbylgjurnar sveigja af köntum fyrirbærisins og dreifast í allar áttir.

 

Í venjulegum smásjám myndast skuggar þegar hlutur er lýstur upp. Með nýrri gerð linsu má losna við slíka skugga.

 

En vísindamenn við háskólann í Freiburg og fyrirtækið Leica Microsystems í Þýskalandi vinna nú að því að fá ljósið til að endurmóta sig á gagnstæðri hlið hlutarins.

 

Með því að nota keilulagaða linsu hafa vísindamennirnir skapað svonefnd Bessel-líkan ljósgeisla sem heilar sig sjálfur eftir að hafa lent á hindrunum.

 

Þetta þýðir að losna má við skuggamynstrið þannig að vísindamennirnir fái skýrar smásjármyndir þar sem engin svæði eru dulin af röndum eða bjögun.

 

ORKA

Orku frá ljósi má geyma eins og eldsneyti. Þetta sýndu tveir vísindamenn í tilrauninni sem líkir eftir ljóstillífun plantna.

Vísindamenn geyma sólarorkuna með tilbúinni ljóstillífun

Geymsla á orku frá sól og vindi er ein af helstu áskorunum við að ná fram viðvarandi orku í rafveitum.

 

Nú hafa vísindamenn við University of Illinois fundið skilvirka aðferð til þess að geyma sólarorku.

 

Aðferðin bindur orku ljóssins í eldsneyti eins og t.d. própani með hjálp CO2 og gullnanóagna og líkir þannig eftir ljóstillífun plantnanna, þar sem orkunni í ljósinu er umbreytt í glúkósa.

 

Ferli þetta dregur CO2 úr lofthjúpnum og vísindamenn vinna nú að því að þróa nýjar gerðir efnarafala sem umbreyta própani í rafmagn án þess að losa CO2.

 

Með þessum hætti mun tilbúin ljóstillífun leggja sitt af mörkum við að draga úr hnattrænni hlýnun.

 

Vökvi lýstur með leysi

Vökvi með gullnanóögnum, CO2 og vatnssameindum er lýstur í tilrauninni með leysi. Hann sendir grænt ljós á bylgjulengdinni 532 nm – sama hluta sýnilegs ljóss sem plöntur nýta.

Laus rafeind startar efnahvarfi

Gullnanóagnir draga í sig ljós og losa sig við rafeindir. Þær fá CO2 og vatn (H2O) til þess að hvarfast með sama hætti og þegar plöntur umbreyta sólarorku í glúkósa.

Vatn og CO2 verða að eldsneyti

Efnahvörfin milli CO2 og H2O mynda langar kolvetnistengingar, eins og t.d. eldsneytið própan þar sem orka frá ljósinu er geymd kemískt og er hægt að breyta hvenær sem er í rafmagn.

 

Leysiljós sendir þráðlausan straum til dróna

Dróni eða flaug sem getur haldist á lofti svo dögum eða vikum skiptir og framkvæmt mælingar eða vaktað svæði – þetta er hugmyndin að baki nýrri tækni sem gerir mönnum kleift að yfirfæra straum þráðlaust með því að senda leysiljós að farartækinu frá netverki mastra á jörðu niðri.

 

Leysiljósið er sent út í þéttum keilugeisla sem svarar til stærðarinnar á t.d. sólarsellum dróna. Þegar leysiljósið lendir á þeim umbreytist orka ljóseindanna í rafstraum í sólarsellunum.

 

Straumurinn frá sólarsellunum er síðan geymdur í rafflaugum um borð í flauginni sem sér rafmótor flaugarinnar fyrir rafmagni. Þannig er flaugin hlaðin upp meðan hún er á lofti.

 

Leysimastrið er með innbyggðan leitarbúnað sem finnur stöðu farartækisins og strauminn til að knýja netverk þetta má sækja frá sólarorkuveri.

 

Leysiljós sendir rafmagn þráðlaust

Rafmagn má framleiða með sólarsellum á jörðu og flytja það þráðlaust til dróna með leysigeisla.

 

Fyrirtækið að baki tækninni, Power Light Technologies, hefur sýnt að dróni með venjulega rafhlöðugetu í fimm mínútna flug, gat haldist á lofti í meira en 12 tíma með þráðlausri hleðslu.

 

Til lengri tíma litið má kannski nýta tæknina til að senda straum til gervihnatta á lágri sporbraut.

 

 

Mikkel Meister

 

 

BIRT: 16/01/2022

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Shutterstock, © Claus lunau, © RapidEye/Getty Images, © Emma R. Mullen et al./Optical Society of America, © Fred Zwicky

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is