Учёные создали микрофон, который улавливает звук с помощью света, а не звука. В отличие от традиционных микрофонов, этот визуальный микрофон фиксирует крошечные вибрации на поверхностях объектов, вызванные звуковыми волнами, и превращает их в звуковые сигналы.
«Наш метод упрощает и удешевляет использование света для улавливания звука, а также позволяет применять его в ситуациях, где традиционные микрофоны неэффективны, например, при разговоре через стеклянное окно», — сказала руководитель исследовательской группы Сюй-Ри Яо из Пекинского технологического института в Китае. «Пока есть способ прохождения света, передача звука не требуется».
В журнале Optics Express исследователи [описали](https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?doi=10.1364/OE.565525) новый подход, который впервые применяет однопиксельную визуализацию для обнаружения звука. Используя оптическую установку без каких-либо дорогостоящих компонентов, они демонстрируют, что метод может восстанавливать звук, используя вибрации на поверхностях обычных объектов, таких как листья и листы бумаги.
«Новая технология потенциально может изменить способ записи и мониторинга звука, открыв новые возможности во многих областях, таких как мониторинг окружающей среды, безопасность и промышленная диагностика», — сказала Яо. «Например, это может позволить разговаривать с человеком, застрявшим в закрытом пространстве, таком как комната или транспортное средство».
Хотя для обнаружения звука с помощью света использовались различные методы, они требовали сложного оптического оборудования, такого как лазеры или высокоскоростные камеры. В новой работе исследователи поставили перед собой задачу использовать вычислительный подход к визуализации, известный как однопиксельная визуализация, чтобы разработать более простой и дешёвый подход, который сделает технологию оптического обнаружения звука более доступной.
Управление формой полимеров: новое поколение адаптивных материалов
Физики из Венского университета и Эдинбургского университета показали, что даже небольшие изменения значения pH и, следовательно, электрического заряда могут изменить пространственное расположение замкнутых кольцевых полимеров (молекулярных цепей) — изменяя баланс между двумя различными режимами пространственной деформации: поворотом и изгибом.
Их выводы, [опубликованные](https://link.aps.org/doi/10.1103/7fh5-frst) в Physical Review Letters, демонстрируют, как электрический заряд можно использовать для изменения формы полимеров обратимым и контролируемым образом, открывая новые возможности для программируемых, реагирующих материалов.
С такими материалами можно лучше контролировать и точно «программировать» проницаемость и механические свойства, такие как эластичность, предел текучести и вязкость.
Представьте себе ленту, которую вы перекручиваете пополам, прежде чем соединить её концы: вы создаёте знаменитую ленту Мёбиуса — петлю с одним поворотом и непрерывной поверхностью. Добавьте больше поворотов, прежде чем закрыть ленту, и структура станет так называемой суперспиральной.
Такие формы распространены в биологии и материаловедении, особенно в круговой ДНК и синтетических (искусственно произведённых) кольцевых полимерах. До сих пор было неясно, можно ли и как настроить баланс между поворотным и изгибным способами в контролируемом и обратимом режиме.
Исследовательская группа поставила перед собой задачу изучить этот вопрос, используя модельную систему кольцевых полимеров, где электрический заряд, введённый посредством pH-зависимой ионизации, служит внешним параметром настройки.
Чтобы изучить возможность настройки этого топологического баланса, исследователи объединили компьютерное моделирование и аналитическую теорию, чтобы изучить, как заряд влияет на конформацию суперспиральных кольцевых полимеров.
В их модели каждая мономерная единица действует как слабая кислота, приобретая или теряя заряд в зависимости от значения pH (определяет кислотность или основность водных растворов) окружающего раствора. Эта установка позволила постепенно накапливать заряд и показала, как молекула меняет форму в ответ.
Результаты: нейтральные полимеры принимают компактные формы, богатые изгибами. С увеличением заряда растёт электростатическое отталкивание — молекула движется к более вытянутым конформациям, и внутреннее распределение смещается от изгиба к повороту. Эти переходы плавные при низкой суперспирализации.
На более высоких уровнях модель предсказывает поразительную особенность: полимер может расщепляться на сосуществующие домены, богатые поворотами и изгибами, — своего рода топологически ограниченную микрофазовую сепарацию. Эта скрытая форма фазового сосуществования ранее в таких системах не наблюдалась.
Чтобы зафиксировать эти механизмы, исследователи разработали теорию среднего поля типа Ландау. Эта упрощённая математическая модель точно предсказывает, когда полимер претерпит непрерывное или резкое конформационное изменение — в зависимости от степени его суперспирализации и заряда.
Идея настройки не только молекулярной структуры, но и самой топологии открывает новые пути управления реагирующими системами. «Регулируя локальный заряд, мы можем сдвинуть баланс между поворотом и изгибом — и это даёт нам возможность управлять формой всей молекулы», — говорит первый автор Роман Станьо из факультета физики Венского университета (в настоящее время в Кембриджском университете).
Поскольку каждый мономер может приобретать или терять заряд, полимер постепенно меняет свою форму — поведение, которое напоминает реальные полиэлектролиты, такие как химически модифицированная ДНК.
Команда предполагает, что синтетические ДНК-кольца с pH-чувствительными боковыми цепями — ещё не реализованные экспериментально, но теперь осуществимые благодаря недавним достижениям в области химии нуклеотидов — могут демонстрировать такое контролируемое изменение формы. Эти молекулы будут действовать как топологически ограниченные каркасы, адаптирующие свою форму в ответ на местные химические условия.
Форма полимера — это не только геометрия, она определяет поток, функцию и взаимодействие. Способность обратимо переключаться между состояниями, доминируемыми поворотами и изгибами, предлагает мощную стратегию для разработки адаптивных материалов. Кольцевые полимеры, реагирующие на незначительные изменения pH, однажды могут быть использованы в микрофлюидных устройствах, где местные условия запускают контролируемые изменения формы и поведения потока.
«Что примечательно, — говорит соавтор Христос Ликос с факультета физики Венского университета, — так это то, что переход от компактных к вытянутым формам происходит постепенно, может контролироваться с помощью pH и не требует каких-либо изменений в топологии молекулы».
Этот эффект, отмечают исследователи, может быть реализован экспериментально в синтетических ДНК-кольцах — возможность, предоставленная недавними достижениями в химии нуклеотидов. Их результаты также предлагают прогностическое понимание: они показывают, как функция может быть закодирована не только в химическом составе, но и в топологическом состоянии, указывая на новое поколение адаптивных материалов.
[Предоставлено Венским университетом](https://phys.org/partners/university-of-vienna/)