Исследователи из Школы инженерии Тринити-колледжа в Дублине создали мощную машину, которая позволяет точно наблюдать за поведением микроскопических частиц при столкновении с поверхностью на чрезвычайно высоких скоростях. Это единственная подобная машина в Европе, на разработку и создание которой ушло более двух лет.
Машина для ускорения и наблюдения частиц с помощью лазера (LAPAO)
Машина LAPAO, разработанная исследовательской группой Science & Technology in Advanced Manufacturing (STAM), использует лазер для разгона частиц размером от 10 до 60 микрон до скорости до 1 км в секунду, что примерно в три раза быстрее пули. Специальная камера, делающая миллиард снимков в секунду, фиксирует поведение этих частиц при столкновении с поверхностью: прилипают ли они, отскакивают или разрушаются?
Ответы на ключевые вопросы
Ответы на эти основные вопросы важны, поскольку они помогут инженерам понять, как создавать более совершенные материалы и покрытия — такие, которые используются в деталях самолётов, медицинских имплантатах или даже защитных слоях для машин. Процесс, который они совершенствуют, называется «холодным напылением», который представляет собой способ «печати» или ремонта металлических деталей без необходимости их плавления.
До сих пор инженеры могли лишь предполагать на основе компьютерных моделей. С помощью этой машины они наконец-то могут увидеть, что происходит на самом деле — и это меняет правила игры для проектирования и производства передовых материалов.
Новый уровень понимания
Лео Девлин, кандидат наук в Школе инженерии Тринити-колледжа и ключевой член команды STAM, сказал: «Благодаря нашей машине мы теперь можем получить параметры материала для микрочастиц, подвергающихся сверхвысокой скорости пластической деформации, что является тем, что моделисты пытались предсказать в течение очень долгого времени. Однако из-за ограничений программного обеспечения они не могли предсказать поведение частиц с достаточно высокой степенью точности».
Применение в различных отраслях
Технология холодного напыления позволяет формировать покрытия, обычно металлические, на материале подложки. Этот метод очень полезен, поскольку не требует от инженеров достижения температуры плавления материалов для соединения покрытий и подложек.
Сегодня, помимо традиционного использования в аэрокосмической промышленности, холодное напыление также применяется в ядерной, автомобильной и других отраслях производства.
### Суперкомпьютерное моделирование проясняет эволюцию турбулентных пограничных слоёв при умеренных числах Рейнольдса
Учёные из Института аэродинамики и газовой динамики (IAG) Штутгартского университета создали новый набор данных, который улучшит разработку моделей турбулентности. С помощью суперкомпьютера Hawk в Центре высокопроизводительных вычислений Штутгарта (HLRS) исследователи провели крупномасштабное прямое численное моделирование пространственно эволюционирующего турбулентного пограничного слоя.
Уникальное моделирование
Используя более 100 миллионов процессорных часов на Hawk, моделирование уникально тем, что фиксирует возникновение канонического, полностью развитого турбулентного состояния в единой вычислительной области. Исследование также с беспрецедентной ясностью выявило точку перегиба, в которой внешняя область турбулентного пограничного слоя начинает поддерживать самоподобную структуру по мере движения к высоким числам Рейнольдса.
Результаты опубликованы в новом исследовании в Journal of Fluid Mechanics.
Цель исследования
«Цель нашей команды — понять неизведанные режимы параметров в турбулентных пограничных слоях», — сказал Джейсон Аппельбаум, кандидат наук в лаборатории Венцеля и лидер этого исследования. «Проведя крупномасштабное моделирование, которое полностью разрешает всё развитие турбулентности от раннего до развитого состояния, мы создали первый надёжный набор данных с полным разрешением для изучения того, как возникают эффекты при высоких числах Рейнольдса».
Практическое применение
Для промышленного применения турбулентные модели не должны воспроизводить физику вплоть до мельчайших деталей; они должны быть достаточно точными для практического использования и быть способными работать на скромных вычислительных ресурсах.
### Новый метод микроскопии раскрывает детальные изображения сложных биологических тканей
До сегодняшнего дня кожу, мозг и все ткани человеческого тела было трудно наблюдать подробно с помощью оптического микроскопа, поскольку контрасту в изображении мешала высокая плотность их структур. Исследовательская группа лаборатории молекулярной микроскопии и спектроскопии в Итальянском технологическом институте (IIT) в Генуе разработала новый метод, который позволяет учёным видеть и фотографировать биологические образцы во всей их сложности, получая чёткие и детальные изображения.
Новая техника
Новый метод стал доступен научному сообществу в режиме «открытой науки», что является преимуществом в области биомедицины, поскольку позволяет наблюдать активные клетки даже при наличии заболеваний, а также понимать, как лекарства взаимодействуют с живыми тканями.
Работа опубликована недавно в журнале Nature Photonics и является частью исследования, проведённого группой Джузеппе Вичидомини, главного исследователя лаборатории молекулярной микроскопии и спектроскопии в рамках проекта Brighteyes.
Оптическая микроскопия
«То, что мы сделали, — это переосмыслить способ измерения микроскопами света, попадающего на образцы под наблюдением, улучшив как пространственное разрешение, так и контраст при изучении толстых тканей, где фоновый свет обычно подавляет их структуру, создавая помехи на изображениях», — объясняет Вичидомини, координатор исследования.
### Физики используют терагерцевое излучение для управления электронными свойствами в двумерных материалах
Физики из Билефельдского университета и Лейбницевского института исследований твёрдого тела и материалов Дрездена (IFW Dresden) разработали метод управления атомарно тонкими полупроводниками с помощью ультракоротких световых импульсов.
Новый подход
Исследователи используют специально разработанные наномасштабные антенны для преобразования терагерцевого излучения в вертикальные электрические поля в атомарно тонких полупроводниках, таких как дисульфид молибдена (MoS₂). Терагерцевое излучение лежит в электромагнитном спектре между инфракрасным и микроволновым диапазонами.
Благодаря недавно разработанным антеннам эти электрические поля достигают нескольких мегавольт на сантиметр. «Традиционно такие вертикальные электрические поля, используемые, например, для переключения транзисторов и других электронных устройств, применяются с помощью электронного стробирования, но этот метод принципиально ограничен относительно медленным временем отклика», — объясняет руководитель проекта, профессор физики Дмитрий Турчинович из Билефельдского университета.
Реальное время
Техника позволяет управлять электронной структурой в реальном времени на временных масштабах менее пикосекунды — то есть одной триллионной доли секунды. Учёные смогли экспериментально продемонстрировать, что оптические и электронные свойства материала могут быть выборочно изменены с помощью световых импульсов.
### Впервые спин-волны, также известные как магноны, были непосредственно наблюдаемы на наноуровне
Для первого раза спин-волны, также известные как магноны, были непосредственно наблюдаемы на наноуровне. Этот прорыв стал возможен благодаря сочетанию высокоразрешающего электронного микроскопа с теоретическим методом, разработанным в Уппсальском университете. Результаты открывают захватывающие новые возможности для изучения и управления магнетизмом на наноуровне.
«Мы могли внезапно увидеть все магноны и каждый шаг их танца на наноуровне. До сих пор были заметны только поверхностные магноны при таком разрешении. Это было как получить места в первом ряду на представлении, которое никто никогда не видел полностью», — говорит Хосе Анхель Кастелланос-Рейес, соавтор исследования и исследователь в Уппсальском университете.
Магнетизм материалов
Магнетизм материалов, таких как железо и никель, является следствием «крошечных магнитов», прикреплённых к их атомам, так называемых атомных спинов. В этих магнитных материалах спины в разных атомах танцуют вместе в синхронизированном движении, называемом спин-волнами или магнонами.
Магноны играют ключевую роль в быстрорастущей области исследований — магнонике, где спин-волны используются для передачи информации вместо электрических зарядов. Магноника имеет потенциал для создания следующего поколения электроники, предлагая более быстрые, меньшие и более энергоэффективные технологии по сравнению с сегодняшними системами, основанными на заряде.