Samknot

Запустить софт для моделирования и вывести полноразмерную модель для редактирования в пространстве. Включить коммуникатор и побеседовать не с плоским изображением собеседника на видеозвонке, а с его объемной проекцией, через которую просвечивает любимый ковер. Отодвинуть штору и увидеть на оконном стекле прогноз погоды, ситуацию с пробками, и вообще — как оно там. Завести двигатель автомобиля и получать на участке лобового стекла дополнительные оповещения о дорожной разметке, возможных опасностях и иных важных сведениях.

Если раньше все это было уделом научных фантастов, то сейчас подобное перешло из разряда “Фантастика” в разряд “Ближайшее будущее”. О том, как современные ученые приближают век голографии, с чего все начиналось и какие трудности развития голографические технологии испытывают на данный момент, мы постараемся рассказать в этом посте.

Как создаются голографические изображения

Человеческий глаз видит физические объекты, так как от них отражается свет. Построение голографического изображения основано именно на этом принципе – создается пучок отраженного света, полностью идентичный тому, который отражался бы от физического объекта. Человек, смотря на этот пучок, видит тот же самый объект (даже если смотрит на него под разными углами).

Голограммы же более высокого разрешения — это статические рисунки, “холст” которых — фотополимер, а “кисть” — лазерный луч, который разово меняет структуру фотополимерных материалов. В итоге обработанный таким образом фотополимер создает голографическое изображение (на плоскость голограммы падает свет, фотополимер создает его тонкую интерференционную картину).

К слову, про саму интерференцию. Она возникает в случае, если в определенном пространстве складывается ряд электромагнитных волн, у которых совпадают частоты, причем с довольно высокой степенью. Уже в процессе записи голограммы в конкретной области складывают две волны – первая, опорная, исходит непосредственно от источника, вторая, объектная – отражается от объекта. Фотопластину с чувствительным материалом размещают в этой же области, и на ней возникает картина полос потемнения, соответствующих распределению электромагнитной энергии (интерференционная картина). Затем пластину освещают волной, близкой по характеристикам к опорной, и пластина преобразует эту волну в близкую к объектной.

В итоге получается, что наблюдатель видит примерно такой же свет, который отражался бы от изначального объекта записи.

Краткая историческая справка

Шел 1947-й год. Индия получила независимость от Британии, Аргентина предоставила избирательные права женщинам, Михаил Тимофеевич Калашников создал свой знаменитый автомат, Джон Бардин и Уолтер Браттейномиз проводят эксперимент, позволивший создать первый в мире действующий биполярный транзистор, начинается производство фотоаппаратов Polaroid.

А Деннис Габор получает первую в мире голограмму.

Вообще, Деннис пытался повысить разрешающую способность электронных микроскопов той эпохи, но в ходе направленного на это эксперимента получил голограмму.

Увы, Габор, как и многие умы, немного опередил свое время, и у него просто не было нужных технологий, чтобы получать голограммы хорошего качества (без когерентного источника света этого сделать невозможно, а первый лазер на кристалле искусственного рубина Теодор Мейман продемонстрирует лишь 13 лет спустя).

А вот после 1960-го (красный рубиновый лазер с длиной волны 694 нм, импульсный, и гелий-неоновый, 633 нм, непрерывный) дело пошло куда бодрее.

1962. Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, Мичиганский Технологический Институт. Создание классической схемы записи голограмм. Записывались пропускающие голограммы – в процессе восстановления голограммы свет пропускали через фотопластину, но некоторая часть света отражается от пластины и тоже создает изображение, которое видно с противоположной стороны.

1967. Первый голографический портрет записывают при помощи рубинового лазера.

1968. Совершенствуются и сами фотоматериалы, благодаря чему Юрий Николаевич Денисюк разрабатывает собственную схему записи и получает высококачественные голограммы (восстанавливали изображение путем отражения белого света). Все проходит вполне неплохо, настолько, что схема записи получает название “Схема Денисюка”, а голограммы — “Голограммы Денисюка”.

1977. Мультиплексная голограмма Ллойда Кросса, состоящая из нескольких десятков ракурсов, каждый из которых можно увидеть только под одним углом.

Плюсы — размеры объекта, которые требуется записать, не ограничиваются длиной волны лазера или размером фотопластины. Можно создать голограмму предмета, которого не существует (то есть просто нарисовав придуманный предмет в сразу нескольких ракурсах).

Минусы — отсутствие вертикального параллакса, рассмотреть такую голограмму можно только по горизонтальной оси, но не сверху или снизу.

1986. Абрахам Секе осознает, что нет предела совершенству, и предлагает создать источник когерентного излучения в приповерхностной области с помощью рентгеновского излучения. Пространственное разрешение в голографии всегда зависит от размеров источника излучения и его удаленности от предмета – это дало возможность восстановить в реальном пространстве атомы, которые окружали эмиттер.

Сейчас

Сегодня некоторые прототипы голографических видеодисплеев работают примерно так же, как и современные ЖК-мониторы: особым образом рассеивают свет, формируя псевдо-3D, а не создают интерференционную картину. С чем связан и главный минус такого подхода — нормально оценить такую картинку сможет только один человек, сидящих под правильным углом к монитору. Все остальные зрители будут не так впечатлены.

Конечно же, любители научной фантастики и новых технологий спят и видят, как голографические дисплеи станут такой же привычной вещью, как wifi дома или фотокамера в смартфоне, сравнимая с не самой плохой мыльницей. И хотя идеальная голограмма в понимании большинства — это на самом деле не сегодня и не завтра, разработки на эту тему уже активно ведутся.

Институт науки и передовых исследований, Корея. Рабочий прототип нового 3D-голографического дисплея, ТТХ которого примерно в пару тысяч раз лучше, чем у существующих аналогов.

Слабое звено таких дисплеев — матрица. Пока матрицы состоят из двухмерных пикселей. Корейцы же использовали обычный (но хороший) дисплей вкупе со специальным модулятором для фронта оптического импульса. Результатом стала высококачественная голограмма, правда, небольшая — 1 кубический сантиметр.

Было время, когда считалось, что рассеивание света — это серьезное препятствие для нормального распознавания проецируемых объектов. Но как показывает наша практика, современные 3D-дисплеи можно существенно улучшить, научившись контролировать это рассеивание. Правильное рассеивание позволило увеличить и угол обзора, и общую разрешающую способность,

— отмечает профессор Йонкен Парк.

Университет Гриффита, Технологический университет Суинберна, Австралия. Голографический дисплей на основе графена.

Ученые вооружились методом Габора, упоминавшимся в самом начале этого поста, и сделали 3D-голографический дисплей высокого разрешения на основе цифрового голографического экрана, состоящего из мелких точек, отражающих свет.

Плюсы – угол обзор в 52 градуса. Для нормального восприятия картинки не нужны никакие дополнительные приблуды в виде 3D-очков и прочего.

К слову, о 52 градусах. Угол обзора тем больше, чем меньше будет использоваться пикселей. Оксид графена обрабатывают путем фоторедукции, что создает пиксель, которому под силу изгибать цвет для голокартинки.

Разработчики полагают, что подобный подход в свое время сможет положить начало революции в разработке дисплеев, особенно — на мобильных устройствах.

Бристольский университет, Великобритания. Ультразвуковая голография.

Объект создается в воздухе с помощью множества ультразвуковых излучателей, направленных на облако водяного пара, которое также создается системой. Реализация, конечно, сложнее, чем в случае с привычными экрана, но все же.

- туман создается не просто каплями воды, а каплями специального вещества.

- это вещество освещается специальной лампой.

- лампа модулирует специальный свет.

В итоге получается проекция объекта, который можно не только рассмотреть со всех сторон, но и потрогать.

Частота колебаний такой интерференционной картины — от 0.4 до 500 Гц.

Одно из главных направлений деятельности, в котором разработчики предполагают полезное использование технологии — медицина. Врач сможет на основе данных медкарты и смоделированного органа “почувствовать” его. Также можно будет создавать объемные проекции каких-либо товаров на презентациях. Положительный эффект предрекают и при замене подобной технологией сенсорных дисплеев в местах массового пользования (электронные меню, терминалы, банкоматы). Как сложно и дорого будет это внедрить — само собой, уже второй вопрос.

А уж до чего могут дойти развлекательные сервисы определенной направленности — страшно (но интересно) подумать.

Ванкувер, Канада. Интерактивный голографический дисплей.

Что нужно:

- мобильное устройство

- HDMI или wifi

- пожертвовать 550$ на Кикстартере вот этим ребятам (хотели собрать 50 000$, успешно собрали почти 300 000$).

Как видите, интерес к голографии, однажды запущенный фантастами, и не думает останавливаться — наоборот, пока только набирает обороты.

Вполне возможно, что уже в самом ближайшем будущем почти в каждой квартире будут голографические экраны, созданные по одному из описанных выше методов. Или же на основе какого-то нового, ведь ученые продолжают изобретать все новые и новые материалы, которые являются отличным подспорьем для развития технологий.

Сейчас трудно представить современного человека без смартфона в кармане, быть может, скоро таким же неотъемлемым элементом станут наручные часы с голографическим проектором. Или новый виток развития умных домов и умных автомобилей покажет, как еще можно использовать возможности голографии.

Последнее, кстати, уже не просто фантазия – к примеру, мы создаем первый голографический навигатор для автомобилей, обеспечивающий отображение дополненной реальности на лобовом стекле в зоне фокуса водителя.

Источник

Проект по изучению потенциальной возможности выращивания картофеля на Красной планете проводится под эгидой Международного центра по картофелю (International Potato Center, CIP). Исследователи перуанского Университета инженерии и технологий (UTEC) проводят эксперименты совместно с коллегами из Исследовательского центра Эймса, NASA. По сообщению CIP, в середине февраля стартовала вторая фаза проекта.

Для опытов инженеры и ученые используют модифицированную платформу для микроспутников CubeSat, в которой размещен герметичный контейнер с грунтом и системой полива. Внутри поддерживается температура, соответствующая колебаниям марсианских дней и ночей, а также обычные для Красной планеты давление и состав атмосферы. Грунт используется также максимально близкий к марсианскому, полученный в пустыне Пампас де ла Хойя (Pampas de La Joya) на юге Перу.

©CIP

По словам эксперта CIP Уолтера Эмороса (Walter Amoros), прежде им удалось показать, что картофель, вообще широко известный способностями переносить экстремальные условия, неплохо растет и в этой сухой, соленой почве – достаточно лишь обеспечить ему небольшую минеральную подпитку и полив. На новом этапе экспериментов имитация Марса будет более полной. Предполагается, что опыты позволят оценить способности растения жить не только на Марсе, но и в некоторых экстремальных условиях на Земле.

Источник

Запись информации в квазичастицы в кристалле

© Университет ИТМО

Физики из России и зарубежных стран научились создавать особые световые квазичастицы и манипулировать их свойствами при комнатной температуре, что открывает дорогу для сверхбыстрых видов оптической памяти, говорится в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.

В последние годы ученые активно пытаются использовать квантовые свойства отдельных атомов и частиц для хранения и записи информации, в том числе и данных, которые используют квантовые компьютеры. На роль "носителей информации нового типа" претендуют с разной долей успешности спин электронов в полупроводниках, вкрапления атомов азота в алмазах, а также различные квазичастицы – объединения атомов или частиц, ведущих себя как единое целое.

Валентин Миличко из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге и его коллеги приспособили для этих целей так называемый экситон – квазичастицу, представляющую собой объединение свободного электрона и "дырки" – положительно заряженного атома, вокруг которого он вращается.

Экситоны, как объясняют ученые, возникают тогда, когда с атомом сталкивается частица света, фотон, и возбуждает его, выбивая электрон на более высокую орбиту, где его стремление вернуться обратно уравновешивается отталкивающей силой остальных электронов. Эти частицы являются переходной формой между фотонами и электронами, поэтому ученые считают, что они помогут создавать компактные оптоэлектронные устройства для быстрой записи и обработки оптического сигнала.

Проблема заключается в том, что экситоны возникают и существуют внутри полупроводниковых кристаллов только при охлаждении жидким азотом, из-за чего экситоны невозможно использовать для практических целей. Миличко и его коллеги решили эту проблему, создав экситоны в необычной "слойке" из органических и металлических соединений.

Их разработка представляет собой так называемый "металл-органический каркас" — сложный полимерный материал, похожий по структуре на пчелиные соты и обладающий очень высокой пористостью и прочностью. Сегодня МОК используются для создания фильтров, способных улавливать углекислоту или водород и удерживать в себе огромные количества этих газов.

Как показали опыты Миличко и его коллег, внутри такого материала, состоящего из цинка и набора органических полимеров, будут образоваться структуры, в которых могут достаточно долгое время существовать экситоны при комнатных температурах.

Российские и европейские физики научились создавать два вида экситонов в таком кристалле, одни из которых находятся внутри "сот", а другие – в слоях между ними. Время жизни внутрислойных экситонов относительно мало, но их высокая плотность и подвижность позволяют использовать эти квазичастицы для генерации света, например, в светодиодах и лазерах.

Межслоевые экситоны более живучи, но малоподвижны, поэтому ученые предлагают применять их для записи информации на кристалле. Как показали первые опыты с подобными квазичастицами, информацию в них можно записывать почти мгновенно, а хранится в них она на протяжении нескольких дней. Этого достаточно для того, чтобы использовать их в качестве памяти.

"Фактически, мы можем влиять на поведение экситонов в кристалле, меняя интенсивность их облучения светом. При слабом облучении экситоны сохраняются (состояние "1"), но если мощность лазера увеличить, то концентрация квазичастиц возрастет настолько, что они могут мгновенно распасться (состояние "0")", – заключает Миличко.

Источник

В некоторых научно-фантастических произведениях упоминается одна из возможностей путешествий в космосе на дальние расстояния. Аналогичный способ предлагают использовать и для «путешествий во времени»: человека замораживают, а через определенное время система запускает разморозку, и «путешественник» просыпается в далеком (или не очень) будущем. Аналогичная система «сна» есть и в реальности — некоторые компании предлагают безнадежно больным людям пройти процедуру криоконсервации для того, чтобы в будущем, когда ученые найдут способ лечить некогда неизлечимые болезни, человека разморозили и вылечили.

К сожалению, фантастика пока что остается фантастикой, а люди, которые воспользовались услугами указанных компаний, вряд ли когда будут разморожены и вылечены — уж слишком большой вред наносится клеткам тканей при заморозке, а еще больший — в ходе обратного процесса, нагревания. Для современных специалистов проблему составляет не криоконсервация, а размораживание. Тем не менее, сейчас стало известно о технологии, которая позволяет размораживать крупные фрагменты тканей без повреждения клеточной структуры. Это, конечно, не криосон для путешественника к далекой звезде, но отличный вариант для современной медицины. Этот способ открывает возможность хранить органы для трансплантации в течение долгого времени.

В целом, сама криоконсервация — не новый метод. Довольно давно разработаны и успешно применяются методы криоконсервации клеточных культур, тканей, так называемых эмбрионов. Но до последнего времени надежных методов «глубокой заморозки» отдельных органов не существовало. Случаев трансплантации замороженных и затем успешно размороженных органов — единицы, поскольку обычно речь идет о сохранении в замороженном органе отдельных участков живой ткани, которые приживаются в чужом организме и постепенно восстанавливают функциональность органа.

Рабочие температуры криоконсервации составляют порядка -196 °C. Капсулы с живой тканью помещаются в жидкий азот, что позволяет полностью остановить биохимические процессы в клетках, включая обмен веществ и энергии с внешней средой. В идеальном случае замороженная ткань может сохраняться очень долго, и если образец небольшой по объему, то его можно восстановить.

Работа команды ученых из Миннесоты, США, обещает изменить сферу трансплантации. Специалисты заявили о разработке новой техники, которая позволяет им замораживать образцы тканей и органов (в будущем) без повреждения клеток. «Впервые кто-то смог масштабировать метод криоконсервации на биологические системы, показав успешную быструю разморозку сохраненной ткани без ее повреждения», — заявил один из специалистов Миннесотского университета Джон Бишоф.

Вместо использования конвекции применяемой в общем случае для разморозки тканей, авторы проекта использовали наночастицы для разогрева тканей, с равным повышением температуры для всех участков. Причем повышение температуры при разморозке очень быстрое — более сотни градусов в минуту. В результате не образуются кристаллы льда, которые и повреждают клетки.

Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)

Для этого используются наночастицы оксида железа, покрытые кремнеземом. Их нагревают при помощи наведенного магнитного поля. Пока что объемы сохраняемых таким образом элементов ткани небольшие — от 1 до 50 мл. В опытах авторы проверяют свою технологию при помощи деления образцов на экспериментальную и контрольную группу. Экспериментальную группу замороженных тканей нагревают так, как и описано выше. Контрольную — обычным способом, с использованием конвекции. Ученые провели уже множество опытов, но образцы из экспериментальной группы ни разу не пострадали, в отличие от образцов контрольной группы.

Слева — ткань, размороженная при помощи новой методики. Справа, после красной черты — ткань, размороженная традиционным способом. Источник: Manuchehrabadi et al., Science Translational Medicine (2017)

После восстановления нормального температурного режима ученые выводят наночастицы из образца путем вымывания.

Методика была протестирована и при нагреве системы объемом в 80 мл, правда, на этот раз без ткани. Но, как оказалось, скорость нагрева такая же, как и в случае с системами меньших объемов, что можно считать одним из доказательств масштабируемости технологии. «Если коротко, то нанонагрев работает с образцами объемом 1 мл, 50 мл и может быть масштабирован для 80 мл систем», — говорится в публикации авторов разработки. По мнению ученых, в будущем нагрев при помощи наночастиц может быть применен к образцам гораздо большего объема, вплоть до 1 литра и более.

В этом случае наночастицы придется вводить внутрь образцов тканей и органов при помощи инъекции. Команда еще не пробовала свою методику в отношении образцов большего объема, хотя и планирует сделать это в ближайшем будущем.

Основные повреждающие факторы при замораживании живой ткани — образование внутриклеточного льда и обезвоживание клетки. Если охлаждение ведется с высокой скоростью, внутри клетки образуются кристаллы льда. А это, в свою очередь, влечет за собой увеличение внутреннего объема таких структур, как аппарат Гольджи, митохондрии, эндоплазматическая сеть, лизосомы, цитоплазматическая мембрана с их последующим разрушением. Что касается обезвоживания, то при охлаждении клетка теряет около 80-90% воды, что приводит к разрушению гидратированных комплексов с макромолекулами, после чего размороженная клетка не может нормально функционировать.

Сейчас ученые научились замораживать образцы тканей без повреждений. А вот разморозка — это проблема, решением которой занимаются ученые многих стран. Если этот вопрос удастся разрешить, медики получат возможность хранить замороженные органы и ткани в течение долгого времени.

Источник

Об испытании весьма перспективного препарата рассказало издание «Известия». Лекарство разработано экспертами НИИ особо чистых биопрепаратов. Доклинические испытания показали, что препарат может быть полезен людям, столкнувшимся с самыми разными видами рака. Примечательно, что исследования воздействия «Белка теплового шока» проводились в космосе.

Оригинальное название для препарата выбрано неспроста: именно так называется молекула, синтезирующаяся всеми клетками организма человека под влиянием различных стрессов. Не так давно выяснилось, что данный белок также имеет еще одну важную функцию: он помогает клетке использовать опухолевые антигены иммунной системы. Иными словами, позволяет человеческому организму эффективней противостоять раковым заболеваниям.

Проблемой является то, что организм содержит чрезвычайно малое количество данного белка. Поэтому ученые разработали биотехнологию, которая позволяет его синтезировать. Рентгеноструктурный анализ работы белка требовал формирования из него сверхчистого кристалла. Получить его в условиях земного притяжения невозможно, поэтому кристаллы вырастили на борту МКС. Данный этап исследования занял шесть месяцев. В итоге ученые получили идеальные «космические» кристаллы.

После спуска на Землю был проведен анализ, доказавший, что исследователи находятся на правильном пути. Стоит сказать, что космический эксперимент был нужен только на первом этапе. Так что необходимости опять посылать что-либо на МКС сейчас нет.

Ученые испытали лекарство на крысах и мышах, у которых была меланома и саркома. Специалистам удалось спасти грызунов даже на поздних стадиях заболевания. Однако использовать «Белок теплового шока» для лечения людей рано. Примерно через год специалисты планируют завершить доклинические испытания. А потом в течение двух-трех лет будут проводиться клинические тесты.

Источник

Интервью с заместителем директора института по научной работе, членом-корреспондентом РАН, доктором медицинских наук, профессором Андреем Симбирцевым.