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俄科學(xué)家合成出一種光控納米復(fù)合材料

據(jù)俄羅斯科技網(wǎng)不久前報道，莫斯科國立大學(xué)精細(xì)化工技術(shù)學(xué)院、俄羅斯科學(xué)院生化物理研究所和化學(xué)物理研究所的三個頂尖科研小組宣布，他們利用光敏配合基和硒化鎘，成功合成了一種光控納米復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的性能可以通過改變特定波長的光照射而發(fā)生變化，可用于“智能”光敏控制設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在《俄羅斯納米技術(shù)》雜志上。

通過光線照射使光敏配合基的性能發(fā)生有針對性的變化，這是當(dāng)前非常熱門的研究領(lǐng)域。通常，這一研究領(lǐng)域的成果將有助于建立一些智能設(shè)備的原型，如分子光開關(guān)、光控邏輯模塊、檢測離子的傳感器設(shè)備等等。研制出的最終產(chǎn)品將應(yīng)用于生物信息學(xué)、納米醫(yī)學(xué)和其他一些應(yīng)用科技領(lǐng)域。

科學(xué)家們成功地將配合基分子固定在硒化鎘納米粒子的表面，從而形成了復(fù)合連接。其中無機(jī)納米硒化鎘（科學(xué)家稱之為量子點）具有熒光控制的特點。所謂熒光控制，是指一些原子和分子具有吸收較高能量的光子，然后釋放能量較低光子的特殊能力，例如一些熒光染料，它們能夠吸收太陽輻射出的不可見紫外線，然后自身發(fā)出可見光。這種光線的顏色很飽和，我們在舞廳里常常會看見這種熒光燈發(fā)出的光芒。硒化鎘量子點的熒光特性毫不遜于有機(jī)熒光分子，后者在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上廣泛得以使用。例如，量子點發(fā)出的波長取決于納米粒子的大小，通過改變納米粒子的大小就可以指定它們發(fā)出波長的頻譜區(qū)域，這一特性有助于建立具有良好靈敏度和清晰度的單分子光敏系統(tǒng)，其在納米級無機(jī)量子點的研究中被廣泛應(yīng)用。

在此項研究中，科學(xué)家使用一個直徑為3.7nm的硒化鎘粒子，這種納米粒子尤其善于吸收最大波長為585nm的可見光。光敏配合基根據(jù)光的影響而改變其配置能力，進(jìn)而改變硒化鎘量子點的熒光光譜和大小。在原始復(fù)合材料中可明顯觀察到波長598nm的量子點熒光。用短波照射復(fù)合材料后，材料的配置發(fā)生變化，開始發(fā)出波長為670nm的熒光。如果把復(fù)合材料放置在黑暗中或用可見光照射一段時間，配合基分子會自動恢復(fù)到原始狀態(tài)，而復(fù)合材料也趨于最初的熒光特點?；诖嗽恚麄儷@得了這種通過改變特定波長的光照射來控制屬性的復(fù)合材料。此外，這種變化是可逆的，復(fù)合材料可以很容易地返回到其原始狀態(tài)。這一研究結(jié)果對構(gòu)建光敏智能控制系統(tǒng)原型具有良好前景，可用于特殊領(lǐng)域的光敏開關(guān)。

（摘自《科技日報》）

計算自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可實現(xiàn)高清醫(yī)學(xué)成像

實時3D微觀組織成像技術(shù)的出現(xiàn)不啻為癌癥診斷、微創(chuàng)手術(shù)和眼科等醫(yī)療領(lǐng)域的一場革命。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月23日報道，美國伊利諾伊大學(xué)的研究人員開發(fā)出用計算自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正光學(xué)層析成像的畸變技術(shù)，給未來醫(yī)療的“高清”成像帶來前景。相關(guān)技術(shù)成果刊登在最新一期美國《國家科學(xué)院學(xué)報》在線版上。

美國貝克曼研究所高級科學(xué)和技術(shù)博士后研究員史蒂芬說：“該技術(shù)能夠超越現(xiàn)在的光學(xué)系統(tǒng)，最終獲得最佳品質(zhì)的圖像和三維數(shù)據(jù)。這將是非常有用的實時成像技術(shù)?！?/p>

畸變?nèi)缟⒐饣蚺で_著高分辨力成像。其會使對象細(xì)點的地方看上去如斑點或條紋。分辨力越高，問題會變得更糟糕。這是在組織成像中特別棘手的問題，而精度對于正確診斷至關(guān)重要。

自適應(yīng)光學(xué)可以校正成像的畸變，被廣泛應(yīng)用于天文學(xué)來校正當(dāng)星光過濾器通過大氣層的變形。醫(yī)學(xué)科學(xué)家已經(jīng)開始將這種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的硬件應(yīng)用于顯微鏡，希望能改善細(xì)胞和組織成像。

但伊利諾伊大學(xué)生物工程內(nèi)科醫(yī)學(xué)的電子和計算機(jī)工程教授斯蒂芬指出，這同樣富有挑戰(zhàn)，將其應(yīng)用于組織、細(xì)胞成像，而不是通過大氣對星星成像，存在很多光學(xué)上的問題。基于硬件的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴，調(diào)整繁瑣，故不太適用于醫(yī)療掃描。

由此，該團(tuán)隊采用計算機(jī)軟件來發(fā)現(xiàn)并糾正圖像畸變，替代硬件的自適應(yīng)光學(xué)，稱為計算自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。研究人員用此技術(shù)演示了大鼠肺組織含有微觀粒子凝膠的幻影。用光學(xué)成像設(shè)備干涉顯微鏡的兩束光掃描組織樣本，計算機(jī)收集所有數(shù)據(jù)后，糾正所有的深度圖像，使模糊的條紋變成尖銳的點而特征顯現(xiàn)，用戶可用鼠標(biāo)點擊改變參數(shù)。研究人員說：“我們能夠糾正整個研究體積的畸變，在其任何地方呈現(xiàn)高清晰度圖像。由此，現(xiàn)在可以看到以前不是很清楚的所有組織結(jié)構(gòu)。”

該技術(shù)可以應(yīng)用于許多醫(yī)院和診所的臺式電腦，可對任何類型進(jìn)行干涉成像，如光學(xué)相干斷層掃描。

（摘自《科技日報》）

“微妙曲面鏡”讓司機(jī)后視無盲點

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報道，美國德雷克塞爾大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)系教授安德魯·?？怂共┦堪l(fā)明了一種新型廣角大幅“微妙曲面鏡”，可作為機(jī)動車的后視鏡消除危險的“盲點”，以最小的失真極大擴(kuò)展司機(jī)的視野。該技術(shù)已于5月獲得了美國專利。

傳統(tǒng)的平面鏡可幫助司機(jī)在駕駛時與后車保持適當(dāng)?shù)木嚯x，但這是基于一個非常狹窄的視角，因此存在司機(jī)通過車側(cè)面的或后面的視鏡都看不到的盲點。而使鏡子彎曲就可以具有一個更寬廣的視野，很容易做到無盲區(qū)，但是會出現(xiàn)視物扭曲變形，對象顯得小且遠(yuǎn)。

一般司機(jī)的平面?zhèn)如R角度是15°～17°，而這種新型鏡子作為外后視鏡有一個約45°的角度。其不同于簡單的曲面鏡會壓扁所感觀對象的形狀，使直線出現(xiàn)彎曲，在這種鏡子中，形狀和直線在視覺上的扭曲幾乎檢測不到。

?？怂故褂靡环N數(shù)學(xué)運算方法設(shè)計鏡面，精確地控制由彎曲鏡子反射出的光線角度。他說：“試想一下，鏡子的表面有許多較小的轉(zhuǎn)向不同角度的鏡面，如同一個迪斯科球面。這種算法是一組運算操縱每一個迪斯科球面鏡片的方向，使每扇鏡面的反射光線匯集所顯示的場景對司機(jī)而言更寬廣，而不至于太扭曲?！毕？怂乖?008年曾在《光學(xué)快報》上第一次描述過用于開發(fā)這種鏡子的方法。

美國規(guī)定，汽車在裝配線上必須在駕駛員一側(cè)安裝平面鏡。而曲面的反射鏡則安裝在乘客一側(cè)的后視鏡上，并且要求“鏡中的物體比其顯示的要更靠近些”，因此這種新型的后視鏡還不能很快被安裝在銷售的新車上。不過，其可以在二級市場上生產(chǎn)和銷售，司機(jī)和機(jī)械師可以購買后安裝在汽車上。在歐洲和亞洲一些國家不允許新車上有稍微彎曲的鏡子。?？怂沟陌l(fā)明已經(jīng)引起了一些投資者和制造商的興趣，他們有意尋求機(jī)會取得生產(chǎn)許可證，大量生產(chǎn)這種鏡子。

（摘自《科技日報》）

新顯微鏡可追蹤胚胎發(fā)育單細(xì)胞分裂過程有助于理解一個單細(xì)胞怎樣變成了復(fù)雜的組織

從一個受精卵發(fā)育成多種功能的胚胎，細(xì)胞要經(jīng)過上千次分裂和復(fù)雜的排列重組。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月3日報道，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究院珍妮莉婭法姆研究學(xué)院開發(fā)出一種最新的成像技術(shù)，能以前所未有的速度和精確度看到這一過程，讓人們能追蹤胚胎成形時每個細(xì)胞在幾天甚至幾小時內(nèi)的變化。相關(guān)論文發(fā)表在6月3日出版的《自然·方法學(xué)》上。

研究人員演示了一段約20h的果蠅胚胎發(fā)育視頻。在視頻中，生物結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)，從一小團(tuán)簡單的細(xì)胞簇慢慢變長，變成上萬個細(xì)胞緊緊擠在一起的拉長的小胚胎，然后在新形成的肌肉收縮舒張下開始顫動，此時胚胎僅有0.5mm長。此外，論文中還有一段果蠅胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)完整的發(fā)育視頻，跟蹤了單個細(xì)胞發(fā)育出感覺器官、腦葉及其他結(jié)構(gòu)的過程，由于分辨力足夠高，還能看到神經(jīng)軸突尖端迅速變化。

發(fā)明該技術(shù)的珍妮莉婭法姆研究學(xué)院的菲利普·凱勒說，要理解一個單細(xì)胞怎樣變成了復(fù)雜的組織，真實看到這一過程非常重要。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡速度太慢，無法跟蹤細(xì)胞在生命初期的迅速變化，也容易破壞一個活胚胎，只能通過把多階段、多組織的照片拼在一起，才能推測發(fā)生的變化，但“細(xì)胞分裂重組每次都不一樣，這種觀察方法可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)”。

新技術(shù)基于一種高速非侵入式光學(xué)顯微鏡，稱為SiMView光層顯微鏡，能從4個角度同時拍攝圖像，不僅能跟蹤細(xì)胞運動，還能對發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)量分析。該顯微鏡由凱勒小組和德國的歐洲分子生物實驗室合作開發(fā)，攻克了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的兩個難題：一是光源對樣本造成的傷害，二是對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

大部分光源都會傷害細(xì)胞，使其中的熒光標(biāo)記消失。研究小組設(shè)計的照明技術(shù)是一種激光掃描層，一次照射樣本極薄的一層以減少傷害，由探測儀記錄下被照亮的部分。光層來自兩個相反方向，并用兩個探測儀來探測熒光，照明與探測相結(jié)合，提供了4個不同的觀察角度。不僅能避免由于光散射而造成的模糊，還將圖像采集速度提高了50倍。

要讓照亮樣本和探測熒光在時間、位置上協(xié)調(diào)一致，時機(jī)吻合極為重要，光層交叉通過會造成圖像模糊，發(fā)光間隔僅幾毫秒。為了保持精度，SiMView還安裝了實時調(diào)節(jié)的電子系統(tǒng)。

顯微鏡每秒會收集350MB的數(shù)據(jù)，一個樣本一天要產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而不同條件或不同基因的發(fā)育對比實驗，所要求的數(shù)據(jù)比這還要多好多倍。為此，研究人員開發(fā)出一種新的計算方法，能識別并跟蹤顯微鏡視頻中單個細(xì)胞并自動分析。這些都構(gòu)成了拍攝活樣本這一完整技術(shù)框架的必要組成部分。

凱勒表示，他們還將繼續(xù)改進(jìn)顯微鏡使計算過程更加有效。今后不僅能追蹤胚胎中細(xì)胞的一代代世系，還可能控制發(fā)育以探索發(fā)育機(jī)制，并研究其他更大更復(fù)雜樣本的發(fā)育過程。

（摘自《科技日報》）

等離子體激元為光電探測器披上隱身衣

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報道，美國斯坦福大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)組成的一個聯(lián)合工程師團(tuán)隊首次使用等離子體激元創(chuàng)建出一個可以探測光同時也可以隱形的新設(shè)備，應(yīng)用于先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和數(shù)碼相機(jī)中，可生成更為清晰、更準(zhǔn)確的照片和影像。該研究成果發(fā)表于《自然光子學(xué)》在線版上。

等離子體激元，即在光激發(fā)下的金屬納米結(jié)構(gòu)中自由電子氣集體振蕩，是目前可以突破光的衍射極限來實現(xiàn)納米尺度上對光操縱的新型量子態(tài)，為光學(xué)元器件和芯片的小型化以及未來信息領(lǐng)域超越摩爾定律帶來了曙光。

新研究首次將等離子體激元這一概念用于光電子探測隱形設(shè)備。研究人員稱，在其上的反光金屬涂層可使一些東西看不見，使這種設(shè)備不可直觀，由此創(chuàng)建出一種隱形的光檢測器裝置。該設(shè)備的核心是由薄薄的金帽覆蓋硅納米線。研究人員通過調(diào)整硅中的金屬比例，即一種調(diào)諧其幾何尺寸的技術(shù)，精心設(shè)計了一個“電漿斗篷”，其中金屬和半導(dǎo)體中的散射光相互抵消，從而使該設(shè)備不被看見。該技術(shù)的關(guān)鍵在于，在薄金涂層中建立一個偶極子，與硅的偶極子在力量上可對等。當(dāng)同樣強(qiáng)烈的正負(fù)偶極子相遇時，它們之間相互抵消，系統(tǒng)就會變得不可見。

研究人員說：“我們發(fā)現(xiàn)，一個精心設(shè)計的金殼極大地改變了硅納米線的光學(xué)響應(yīng)。在金屬絲中光吸收略有下降，而由于隱形效果，散射光會下降100倍。實驗同樣證明，在計算機(jī)芯片中常用的其他金屬如鋁和銅也會具有同樣效果。之所以能夠產(chǎn)生隱蔽性，首先是金屬和半導(dǎo)體的調(diào)整。而如果偶極子沒有正確對齊，隱形效果則會減弱甚至失去。所以只有在適量材料中的納米尺度下，才能做到最大程度的隱形?！?/p>

研究人員預(yù)測，這種可調(diào)的金屬半導(dǎo)體設(shè)備在未來將用于許多相關(guān)領(lǐng)域，包括太陽能電池、傳感器、固態(tài)照明、芯片級的激光器等。例如，在數(shù)碼相機(jī)和先進(jìn)的成像系統(tǒng)中，等離子體激元的隱形像素可能會減少由于相鄰像素之間破壞性串?dāng)_產(chǎn)生圖像模糊的狀況，從而生成更清晰、更準(zhǔn)確的照片和醫(yī)學(xué)影像。

（摘自《科技日報》）

美找到低壓下提高LED發(fā)光率新法

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)不久前報道，美國麻省理工學(xué)院的研究人員通過一種插座轉(zhuǎn)換設(shè)備使發(fā)光二極管（LED）能夠比其消耗的電功率釋放出更多光功率，電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到100%以上。相關(guān)研究發(fā)表于最新一期的《物理評論通訊》上。

LED發(fā)光原理是將電能轉(zhuǎn)換為光。目前，設(shè)計出既明亮又高效的LED燈的最大障礙之一，是增加LED燈的輸出功率反而導(dǎo)致其效率下降。而麻省理工學(xué)院的研究人員解釋說，他們的研究成果大大降低了外施的電壓。根據(jù)計算，當(dāng)電壓減少到一半，輸入功率降低了4倍，而發(fā)出的光功率與電壓保持一致，也達(dá)到一半。換言之，當(dāng)輸出功率下降時LED發(fā)光率卻在增加。

在實驗中，研究人員減少了LED的輸入功率，僅30pW，而測量到輸出達(dá)69pW的光量，效率高達(dá)230%。將相同的物理機(jī)制作用于任何LED，在外施電壓作用下，電子和空穴有一定的概率產(chǎn)生光子。研究人員并沒有像其他的研究一樣試圖增加這種概率，而是利用發(fā)生于設(shè)備里原子晶格的振動所散發(fā)的少量余熱產(chǎn)生更多電力。

這種利用余熱發(fā)光的過程可使LED稍微冷卻，其操作類似一個熱電冷卻器。雖然在室溫條件下，冷卻不足以提供實用性的溫度，但它有可能被用于設(shè)計不產(chǎn)生熱量的燈。當(dāng)作為熱泵時，該設(shè)備可有助于固態(tài)冷卻應(yīng)用程序，甚至是發(fā)電機(jī)設(shè)備。

理論上，這個低壓策略能夠在低電壓下產(chǎn)生任意高效的光子，研究人員希望該技術(shù)能提供一種新的測試節(jié)能極限電磁波通訊的方法。雖然在科學(xué)上這個方法很有趣，但其還不會立即促使超效率的LED商業(yè)化，因為示范項目僅能用很低的輸入功率產(chǎn)生少量的光。

（摘自《科技日報》）