Можно ли обнаружить объекты, скрытые в среде, абсолютно непрозрачной для человеческого глаза? С помощью традиционных методов визуализации ответ отрицательный: плотное облако или слой материала полностью блокирует свет, и простая фотография не содержит информации о том, что находится за ним.
Однако сотрудничество исследователей из Института Ланжевена и Венского технического университета (TU Wien) показало, что с помощью инновационных математических методов объекты можно обнаружить даже в таких случаях — используя так называемую матрицу отпечатков пальцев.
Команда испытала новый метод на металлических объектах, закопанных в песке, и в области медицинской визуализации. Совместная публикация на эту тему была опубликована в журнале Nature Physics.
Принцип работы
С физической точки зрения, при создании изображения всегда происходит одно и то же: волна направляется к объекту, объект отражает часть волны, и отражённая часть достигает нашего глаза или измерительного прибора. Однако это работает только если окружение объекта достаточно прозрачно. В противном случае, например, в плотном облаке или мутной воде, происходит явление многократного рассеяния.
Волна рассеивается не только объектом, который нужно визуализировать, но и окружающей средой — часто многократно, так что регистрируется лишь сильно изменённая волна, в которой искомый объект уже не узнаваем.
Чтобы преодолеть эту проблему, французско-австрийская исследовательская группа разработала новый метод:
1. Сначала конкретный объект исследуется в среде без помех. Каждый объект рассеивает волны очень специфическим, характерным образом. Это волновое рассеяние отпечатка объекта может быть описано математически с помощью матрицы — так называемой матрицы рассеяния.
2. Затем объект скрывается в среде с сильным рассеянием — например, закапывается в песок. Когда ультразвуковые волны направляются в этот песок, они рассеиваются песком, но часть звука проникает настолько далеко в песок, что также рассеивается закопанным объектом.
Если, с одной стороны, вы знаете неизменённую матрицу рассеяния, «матрицу отпечатков пальцев» объекта, а, с другой стороны, вы измеряете рассеяние волны, созданное скрытым объектом в среде с многократным рассеянием, то вы можете рассчитать положение объекта с помощью математического метода, разработанного исследовательской группой.
Применение метода
Метод был протестирован со стальными шарами в песке, но также в медицинских приложениях: для мониторинга рецидивов рака молочной железы используются так называемые маркеры поражений, которые часто трудно визуализировать, поскольку они перекрываются рассеянными сигналами. С помощью нового метода их было легко локализовать.
Кроме того, технология матрицы отпечатков пальцев использовалась для измерения мышечных волокон, что особенно важно для диагностики заболеваний сердца и мышц.
«Концепция матрицы отпечатков пальцев очень универсальна — она применима не только для ультразвука, но и для обнаружения с помощью света», — говорит Роттер. «Она открывает новые возможности во всех областях науки, где можно измерить матрицу отражения».
Сверхкритические жидкости: открытие нанокластеров
Сверхкритическая жидкость — это состояние, в котором температура и давление вещества превышают его критическую точку, где нет различия между жидкой и газовой фазами. Традиционно считалось, что это единая, однородная фаза. Однако исследовательская группа в POSTECH (Похангский университет науки и технологий) экспериментально продемонстрировала неравновесное фазовое разделение внутри сверхкритических жидкостей, наблюдая нанометровые «жидкие кластеры», которые сохраняются до одного часа.
Экспериментальная проверка существования нанокластеров, существующих отдельно в жидкоподобном состоянии внутри сверхкритических жидкостей, ранее считавшихся однородными фазами, была проведена исследовательской группой под руководством профессора Гансу Юна из Отдела передовой ядерной инженерии и кафедры физики в POSTECH в сотрудничестве с группой доктора Джонг Дэ Дзяна в Корейском институте атомных исследований (KAERI), профессором Мин Ён Ха в университете Кён Хи и командой доктора Чангу До в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) в США.
Эксперимент использовал инструмент малоуглового нейтронного рассеяния (SANS) в корейском центре нейтронных исследований HANARO. Исследование было опубликовано в Communications Physics.
Сверхкритические жидкости, возникающие, когда температура и давление превышают критическую точку, долгое время понимались как единое состояние без фазового разделения, где граница между жидкостью и газом исчезает. Однако недавние симуляционные исследования показали, что при равновесных условиях (с постоянной температурой, давлением и концентрацией) сверхкритические жидкости могут содержать субрегионы, напоминающие «газовые» и «жидкие» состояния.
В этом исследовании команда сжала газообразный криптон под высоким давлением для получения сверхкритической жидкости и внимательно наблюдала за изменениями в сигналах нейтронного рассеяния с течением времени. Они подтвердили наличие кластеров размером в среднем 1,3 нанометра с жидкоподобными свойствами — примерно соответствующими агрегатам из примерно 30 атомов криптона. Примечательно, что эти кластеры сохранялись более часа, прежде чем исчезли.
Это открытие опровергает преобладающее представление о том, что сверхкритические жидкости существуют только в одной фазе, предоставляя первое экспериментальное доказательство того, что динамические среды могут порождать явления фазового разделения.
Диагностика и контроль этого неравновесного фазового разделения могут позволить более точно проектировать и контролировать процессы со сверхкритическими жидкостями. На практике большинство промышленных применений сверхкритических жидкостей связано с неравновесными условиями потока. В таких условиях крошечные жидкие кластеры могут существенно влиять на эффективность очистки, растворимость и теплообмен.
Эти идеи имеют важное значение для широкого спектра отраслей, включая очистку полупроводников, фармацевтическое производство, пищевую промышленность, тепловые системы в электростанциях и разработку ракетных двигателей. Кроме того, результаты могут помочь объяснить аналогичные явления в экстремальных природных средах, таких как сверхкритическая атмосфера Венеры или высокотемпературные, высоконапорные жидкости в земной коре.