Ma c'è corrente elettrica in un isolante?

Fonte: Sci-X

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Il team che impiega i raggi X di femtosecondi ha osservato un trasferimento estremamente veloce di elettroni tra atomi vicini, mediante l'applicazione di un forte campo ottico un cristallo isolante e la distribuzione degli elettroni nello spazio reale.

In un materiale isolante, gli elettroni non si muovono assolutamente, quando vengono sottoposti ad una forte tensione. E se si muovono, a che velocità e quanta strada percorrono?

Per rispondere a questa domanda fondamentale, bisogna misurare la posizione degli elettroni nel materiale con una precisione dell'ordine di 0.1 nm, più o meno corrispondenti alla distanza tra atomi vicini. Ciò è possibile mediante prendendo immagini del materiale con raggi X, che sono diffusi dagli elettroni e forniscono la loro disposizione spaziale. Inoltre, occorre applicare un campo elettrico sufficientemente elevato per spostare gli elettroni dagli atomi ai quali sono legati inizialmente. Tale campo elevato può essere fornito per un intervallo di tempo molto breve di 50 femtosecondi, da un forte impulso ottico che viene inviato sul materiale.

In questo numero di Physical Review Letters (PRL 109, 147402, 2012
(link : http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i14/e147402), Johannes Stingl, Flavio Zamponi, Freyer Benjamin, Michael Woerner, Thomas Elsaesser e Andreas Borgschulte riferiscono sulla prima ripresa di immagini, in situ, con raggi X,di movimenti di atomi ed elettroni, indotti da un forte campo ottico. Per il materiale ionico LiBH₄ del prototipo, hanno determinato la mappa degli elettroni, in funzione del tempo, ricavata mediante istantanee ai raggi X, prese con flash di raggi x duri, della durata di 100 femtosecondi. Prendendo istantanee coi raggi X in momenti diversi durante e dopo l'impulso ottico che fornisce il campo elettrico, si crea un film molecolare dei movimenti di atomi ed elettroni.

E 'stata una grande sorpresa per i ricercatori che, durante la sovrapposizione temporale dell'impulso ottico e del flash di raggi X, avviene un trasferimento estremamente rapido di un elettrone dagli ioni BH₄^- ai vicini Li +, per una distanza di 0,25 nm. Poiché il campo elettrico dell'impulso ottico inverte il senso ogni 1,3 fs, l'elettrone è guidato avanti e indietro tra i due siti, ad una velocità estremamente elevata, di circa l’1% della velocità della luce. Dopo l'impulso ottico, l'elettrone ritorna allo ione BH₄^- e viene ripristinata la distribuzione elettronica originale. Al di là di questo trasferimento reversibile di elettrone,quasi istantaneo, non c’è corrente elettrica macroscopica, ossia il materiale si comporta come isolante.

Un’analisi quantitativa mostra che la grande escursione degli elettroni tra ioni adiacenti dà il contributo principale alla polarizzazione elettrica e rappresenta la causa di molte non-linearità alle frequenze ottiche.

Accanto alle nuove conoscenze nelle proprietà fondamentali elettriche e ottiche degli isolanti, gli esperimenti offrono grandi potenzialità di impiego per la caratterizzazione temporale di impulsi di raggi X ultracorti.

Testo originario e filmato:

http://www.mbi-berlin.de/de/current/index.html

Scienziati sviluppano ceramica piegabile, da spruzzare su metallo.

Fonte: Sci-X

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Metallo o ceramica? Spesso gli ingegneri si pongono questa domanda quando devono scegliere un materiale per un componente o una macchina. Se l'abrasione deve essere la minima possibile, o se un pezzo non deve condurre corrente, anche a temperature elevate, si richiede l’uso della ceramica. In altri casi, il minor numero di componenti può essere molto rigido; in caso di carichi devono anche resistere ai movimenti di flessione, senza rompersi: il metallo è il materiale più adatto. Ricercatori dell’INM (Istituto Leibniz per i Nuovi Materiali) di Saarbrücken hanno ora sviluppato, attraverso un metodo insolito, un rivestimento in grado di avere ambedue le caratteristiche: si comporta come la ceramica e, ciononostante , resta ancora flessibile.

Questo materiale sarà presentato alla Fiera “Materialica 2012”, la Fiera Internazionale per i materiali, le superfici e la progettazione di prodotto, che si svolgerà a Monaco di Baviera.

"Applicare un rivestimento ceramico su un metallo è il metodo usuale per combinare i vantaggi del metallo e della ceramica", ha detto Carsten Becker-Willinger, direttore del gruppo di ricerca Nanomeri. “Per lo più quelle ceramiche vengono indurite a circa 1200 gradi Celsius e sinterizzate, ossia compattate. In questo caso, le ceramiche sono molto compatte e resistenti alle abrasioni, ma anche molto fragili ", dice ancora l'esperto in nanotecnologie.

Pertanto, i ricercatori hanno scelto un percorso di produzione diverso: mediante tecniche di rivestimento, quali immersione o spruzzatura, di solito usati per rivestimenti plastici, sono riusciti a produrre un rivestimento ceramico inorganico e regolare, di ossido di silicio e carburo di silicio. "Con questo metodo chimico-umido, sono stati sufficienti appena 400-500 gradi Celsius per indurire il rivestimento. Tuttavia, si possono impiegare a temperature molto più elevate.

Come afferma il chimico Becker-Willinger, quando un metallo rivestito di questa ceramica viene piegato di 180 gradi oppure si lascia cadere una sfera di acciaio da un’altezza di un metro, il rivestimento e il metallo non subiscono alcuna frattura. Anche con la piegatura, l'effetto isolante elettrico del rivestimento rimane, proprio perché non si sono formate crepe o ponti conduttivi.

Attualmente, il materiale di base per un tale rivestimento è disponibile su scala di laboratorio presso l’INM. E 'adatto, per esempio, per il rivestimento di acciaio, di acciaio inossidabile, di titanio e di leghe di titanio. In cooperazione industriale, i ricercatori intendono personalizzare ulteriormente il materiale per soddisfare specificamente le applicazioni in macchinari, nella costruzione navale, nelle costruzioni per la produzione di energia, nel settore automobilistico e in quello aerospaziale.

Articolo originario di Carola Jung:

http://www.inm-gmbh.de/2012/10/12919/

Un "mantello dell'invisibilità" anche per gli elettroni.

Fonte: Le Scienze

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E' stato realizzato da un gruppo del MIT sfruttando le proprietà quantistiche degli elettroni, che in opportune condizioni si comportano come onde. Una volta perfezionato per un uso in ambito industriale, il dispositivo - costituito da nanoparticelle immerse in un semiconduttore - potrebbe dar vita a una nuova generazione di interruttori elettronici.

Un mantello dell’invisibilità per gli elettroni è stato proposto da un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che illustrano i risultati a cui sono giunti in un articolo pubblicato sulle “Physical Review Letters”. Portando la nuova tecnologia su scala industriale, osserva Gang Chen, che ha diretto lo strudio, sarebbe possibile progettare nuovi interruttori elettronici che vanno dal visibile (struttura 'aperta') e invisibili ('chiuso'). "Inoltre, la dispersione di elettroni rispetto al profilo energetico delle strutture, che varia notevolmente, potrebbe essere utile in applicazioni che prevedono meccanismi di scattering fortemente dipendenti dall'energia, quali quelle in atto nei dispositivi termoelettrici."
I "mantelli dell'invisibilità" realizzati finora sono resi possibili dalla creazione di particolari metamateriali, strutture artificiali dotate di proprietà ottiche che non si ritrovano in natura, come gli indici di rifrazione negativo. Queste strutture sono accuratamente progettate in modo tale che le onde in arrivo fluiscano lungo al mantello nelle varie direzioni, per poi riunirsi dall'altra parte del mantello e proseguire come se l’oggetto interposto non ci fosse. Lo stesso principio è stato applicato anche per progettare mantelli destinati a rendere invisibili rispetto alle onde sonore.
Per le leggi della meccanica quantistica, tuttavia, anche gli elettroni possono comportarsi come onde, anche se i fenomeni di diffusione che intervengono nel mezzo in cui si propagano fanno sì che dopo un certo tempo la funzione d’onda collassi e l’elettrone si comporti come una particella; i calcoli eseguiti da Gang Chen e colleghi hanno permesso di definire nel dettaglio quando e come sia possibile sfruttare questa proprietà e procedere

quindi alla progettazione di un simile apparato.
Il dispositivo messo a punto ora al MIT è costituito da una serie di nanoparticelle con una dimensione di circa 10 nanometri, paragonabile a lunghezze d'onda elettroniche, incorporate all’interno di un semiconduttore. "Nel nostro progetto, nuclei e gusci delle nanoparticelle presentano una molteplicità di interfacce in cui le onde degli elettroni si riflettono", ha spiegato Bolin Liao, primo firmatario dell’articolo.
"Attraverso un’accurata sintonizzazione delle interfacce le onde riflesse dalle diverse interfacce possono interferire l’una con l'altra in modo distruttivo e annullare quasi perfettamente i fenomeni di diffusione che portano al collasso delle funzione d’onda. Le onde di elettroni con l’energia ‘corretta’ possono così viaggiare attraverso la struttura della nanoparticella senza essere riflesse, come se non ci fosse niente sulla loro strada."

Costruire strutture 3D da un modello 2D.

Fonte: Sci-X

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Nuovo metodo di incisione per produrre microstrutture tridimensionali in silicio per il trattamento dei segnali luminosi nel settore delle telecomunicazioni.

Nelle telecomunicazioni moderne, la luce trasporta informazioni digitali per chilometri in pochi secondi. Materiali ottici adattati controllano i segnali luminosi. Sulla rivista AFM, ricercatori di Berlino, Lovanio e del Karlsruhe Institute of Technology presentano un metodo per la produzione di cristalli fotonici. Le loro proprietà ottiche sono messe a punto da strutture di dimensioni micrometriche. Il metodo è rapido, economico, e semplice e utilizza in parte il principio di auto-organizzazione (DOI: 10.1002/adfm.201201138).

"Le proprietà ottiche dei materiali possono essere influenzati decisamente dalla strutturizzazione specifica", spiega Andreas Frölich del Karlsruhe Institute of Technology. Il silicio è usato in componenti, ad es filtri o deflettori, per le telecomunicazioni. Finora, tuttavia, tutti questi componenti sono stati piatti, cioè bidimensionali. Concetti completamente nuovi concetti potrebbero essere realizzabili, mediante l’impiego di componenti tridimensionali. Le spese necessarie per strutturare il silicio sono molto alte. La struttura deve essere molto regolare in tutte le tre direzioni spaziali e i dettagli devono avere le dimensioni di circa un micrometro.

"Il nostro nuovo metodo di fabbricazione SPRIE (Sequential Passivation and Reactive Ion Etching) utilizza tecnologie consolidate, come l'incisione chimica e metodi innovativi, come l'auto-organizzazione e li combina in modo molto creativo", afferma Martin Wegener, professore dell'Istituto di Fisica Applicata e dell’Istituto di Nanotecnologia del KIT e coordinatore del Centro DFG per le nanostrutture funzionali (CFN). Il metodo SPRIE viene applicato per strutturare il silicio su grandi aree in modo semplice e tridimensionale. Per prima cosa, viene applicata, sulla superficie del silicio, una soluzione con sfere micrometriche di polistirene. Dopo essiccazione, queste sfere formano automaticamente un monostrato denso sul silicio. Dopo un rivestimento metallico e la rimozione delle sfere, resta una maschera di incisione a forma di nido d’ape, sulla superficie del silicio.

"Questa maschera di incisione è il nostro modello bidimensionale per la costruzione della struttura tridimensionale", dice Frölich. Le aree libere vengono rimosse mediante incisione chimica con un gas plasma reattivo. Un campo elettrico viene applicato per fare in modo che le particelle di gas incidano in profondità solo od omogeneamente in tutte le direzioni. "Inoltre, si può specificamente passivare le pareti del foro, il che significa che sono protette da ulteriore incisione, attraverso uno strato di polimero. "

Ripetute incisioni e passivazioni fanno crescere, in profondità, i fori della maschera di incisione . Fino alla dimensione di 10 micrometri, la loro profondità supera la larghezza di un fattore superiore a 10. Le fasi di processo e il campo elettrico sono regolati con precisione per controllare la struttura delle pareti. Invece di un semplice foro con pareti verticali lisce, ogni fase dell’incisione produce una depressione sferica con una superficie curva. Questa curvatura è la base per le strutture regolari ripetitive di guide d'onda di tipo nuovo. "La telecomunicazione ottica avviene ad una lunghezza d'onda di 1,5 micron. Con il nostro metodo di incisione, noi produciamo una struttura micrometricamente corrugata, lungo le pareti. “Il campo di fori strutturati strettamente adiacenti e molto profondi, agisce, nel suo complesso, come un cristallo regolare su cui la luce rifrange nel modo desiderato.

Il metodo SPRIE può produrre un cristallo fotonico tridimensionale in pochi minuti, dato che è basato su processi industriali convenzionali. In linea di principio, una struttura tridimensionale può essere generata in silicio utilizzando una maschera liberamente definibile. Questo apre nuove possibilità per soddisfare i requisiti dei componenti ottici nelle telecomunicazioni.

Sono disponibili differenti disegni di cristalli fotonici. Alcuni vengono applicati come guide d'onda con raggi di curvatura molto piccoli e piccole perdite, o come filtri ottici di banda ultra-piccola e come multiplexer. Entro pochi decenni potranno essere fattibili computer che lavorano con la luce invece che con l’energia elettrica potrebbe essere fattibile.

A questo progetto hanno lavorato,oltre al KIT, anche l’Université Catholique de Louvain e la Humboldt University di Berlino.

L’abstract e l’articolo scientifico:

http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/%28ISSN%291616-3028

Il comunicato stampadel KIT:

http://www.kit.edu/besuchen/pi_2012_11900.php

Foto: KIT / CFN

Volete diventare milionari con un fortunato sito Internet? Vi dico ciò che vi occorre…

Un articolo di Fausto Intilla

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Dunque, la prima cosa da fare è cercare due persone fidate, disposte a lavorare per voi nella creazione del sito Internet in questione (se riuscite a creare una società composta dai tre membri fondatori del sito, ossia da voi stessi più gli altri due collaboratori fidati, affinché gli utili che proverranno dall’attività del sito potranno così essere equamente distribuiti, è certamente meglio). Questi due collaboratori (o membri della vostra neonata società), dovranno essere:  un ingegnere informatico specializzato nella realizzazione di siti web e un disegnatore fumettista.

Il sito dovrà dare la possibilità a qualsiasi utente di registrarsi gratuitamente, e di creare delle storie a fumetti per mano propria! Qualsiasi utente quindi (una volta registratosi nel sito), potrà scegliere, da una lista di 1000 paesaggi predefiniti, quello da utilizzare nel primo riquadro che darà inizio alla storia che vuole creare-raccontare. I personaggi di ogni storia, saranno al massimo 10, e in qualsiasi storia che venga raccontata da qualsiasi utente, si ritroveranno sempre gli stessi personaggi (appartenenti al gruppo predefinito dei 10). Per ogni personaggio, l’utente potrà scegliere in quale posizione o atteggiamento inserirlo nel primo e nei successivi riquadri, selezionando l’immagine da una lista di 1000 immagini (dello stesso personaggio; quindi con 10 personaggi, si avranno in totale 10'000 immagini) tutte diverse l’una dall’altra (in quanto ritraggono sempre lo stesso personaggio, ma in posizioni e atteggiamenti diversi).

In ogni riquadro, sarà dunque possibile inserire (una volta scelto lo sfondo ideale, ossia il paesaggio appropriato alle situazioni rappresentate nel vari riquadri) i personaggi desiderati, affinché possa prendere forma una storia da raccontare; fatto ciò, sarà inoltre possibile inserire (sopra o di fianco ad ogni personaggio-fumetto) le famose nuvolette (per i pensieri o per le parole pronunciate dai rispettivi personaggi) opportunamente vuote, in cui ogni utente intento a creare la propria storia a fumetti, potrà scrivere ciò che gli pare!

I 10 personaggi  che daranno forma a tutte le storie create dagli utenti, dovranno essere del tutto nuovi e quindi estranei al mondo di tutti i personaggi a fumetti attualmente conosciuti (onde evitare di pagare alla Walt Disney ogni mese, una volta che il sito inizia a “girare”, decine di migliaia di dollari sui copyrights); cercatevi dunque un disegnatore-fumettista …dotato di grande fantasia! 

Se avete 20'000 euro  sotto il materasso e non sapete in che modo investirli, questa a mio avviso potrebbe essere una buona idea.  Ah, un’ultima cosa …attenzione a non farvela rubare! J J J

Buona fortuna! J

Fausto Intilla

Scienziati scoprono la chiave per il nano assemblaggio.

Fonte: Cordis

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L'organizzazione della vita ha bisogno di nanostrutture a base di proteine, che a loro volta sono sistemate in maniera precisa per determinare le loro funzioni specifiche. Ricercatori dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera (LMU) in Germania hanno scoperto un metodo che permette di installare singole molecole proteiche nel loro sito di funzionamento con precisione nanometrica, il risultato è l'assemblaggio di nuove macchine biomolecolari. Questa scoperta è stata presentata sul Journal of the American Chemical Society.

Usando la punta fine del microscopio a forza atomica (AFM), i ricercatori hanno preso singole biomolecole e le hanno depositate in un altro posto con una precisione nanometrica. I ricercatori hanno usato questa tecnica, chiamata "taglia e copia di singole molecole" su molecole di acido deossiribonucleico (DNA). Quello che li ha spinti a usarla sulle proteine è stato il fatto che le macchine molecolari responsabili della maggior parte dei processi biochimici nelle cellule sono composte da proteine e l'assemblaggio controllato di questi dispositivi è uno dei principali obiettivi della nanotecnologia.

Coordinato dal professor Hermann Gaub della LMU, il team ha detto che il suo uso farebbe capire meglio quello che succede dentro le cellule vive e aiuterebbe lo sviluppo, la costruzione e l'uso di nanomacchine su misura. Grazie a questa tecnica, i ricercatori hanno cambiato il metodo, che a loro volta ha permesso loro di spostare le proteine da un luogo di stoccaggio a un luogo specifico con precisione nanometrica.

"In un mezzo liquido a temperatura ambiente, le "condizioni meteorologiche" su nanoscala sono paragonabili a quelle di un uragano," ha detto l'autore principale Mathias Strackharn della LMU. È quindi importante attaccare saldamente e poi tenere in modo sicuro le molecole alla punta dell'AFM quando si spostano nella zona di costruzione.

Secondo i ricercatori, anche le forze che legano le proteine quando sono manipolate e assemblate devono essere abbastanza deboli per assicurare che non vengano danneggiate e devono essere strettamente controllate.

Il team ha raggiunto gli obiettivi dello studio usando un insieme di anticorpi, proteine "a dita di zinco" e ancore di DNA. "Abbiamo dimostrato la fattibilità del metodo portando centinaia di molecole di GFP [proteine verdi fluorescenti] a formare un piccolo omino verde, come la figura dei semafori che segnala ai pedoni che possono attraversare la strada, ma alto appena un paio di micrometri," ha spiegato Strackharn.

Questa tecnica può testare direttamente aspetti funzionali di complesse macchine proteiche, come il modo in cui vari enzimi interagiscono e quanto devono essere vicini per effettuare reazioni accoppiate.

"Se possiamo costruire imitazioni di queste "catene di montaggio enzimatiche" mettendo insieme singole proteine, potremmo forse dare un contributo significativo allo sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili," ha detto.

Per maggiori informazioni, visitare:

Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera (LMU): http://www.en.uni-muenchen.de/index.html

Journal of the American Chemical Society: http://pubs.acs.org/journal/jacsat

Categoria: Varie
Fonte: Journal of the American Chemical Society; Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera (LMU)
Documenti di Riferimento: Strackharn, M. et al., "Nanoscale arrangement of proteins by single-molecule cut-and-paste", J. Am. Chem. Soc., 2012. doi:10.1021/ja305689r
Codici di Classificazione per Materia: Biotecnologia; Coordinamento, cooperazione; Scienze biologiche; Ricerca scientifica

RCN: 35095

Usare la luce per commutare lo stato di magnetizzazione.

Fonte: Sci-X

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Un modo per rendere più veloci le unità di memorizzazione magnetica sarebbe di usare la luce per invertire la polarità di minuscole macchie di materiale, denominate domini magnetici, avanti e indietro, da 0 a 1 e viceversa (in termini informatici). Ora, in un esperimento presso l’impianto laser SLAC, sono stati catturati i cambi nanometrici, provocati dalla luce, in un materiale costituito da cobalto e platino stratificati.

I ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che il bombardamento con luce laser infrarossa permettesse agli elettroni accelerati di sfondare le pareti che separano un dominio magnetico da quello vicino, distruggendo la magnetizzazione locale durante il processo.

Il team ha utilizzato impulsi ultracorti di luce infrarossa per innescare modifiche nel materiale magnetico e poi hanno esaminato quelle modifiche con impulsi di raggi X del laser FLASH del DESY di Amburgo.

I risultati sono pubblicati sulla rivista “Nature Communications”.

Diretti da Stefan Eisebitt, professore alla Technische Universität di Berlino, l'esperimento ha avuto la partecipazione di scienziati di quasi una dozzina di centri di ricerca, tra i quali Bill Schlotter, uno scienziato strumentale della Linac Coherent Light Source (LCLS), presso il National Accelerator Laboratory dello SLAC .

"Gli impulsi ultraveloci di raggi X sono perfetti per analizzare il ruolo della disposizione magnetica in nanoscala, sul meccanismo della commutazione magnetica ultraveloce”, ha detto Schlotter. L’apparato LCLS è stato utilizzato per esperimenti simili che studiano la commutazione magnetica su nanoscala e Eisebitt ha partecipato ad esperimenti dell’LCLS.

"La smagnetizzazione ottica è di gran lunga il più veloce processo per cambiare localmente la magnetizzazione e il controllo locale della magnetizzazione è la base della memorizzazione magnetica", ha detto in Eisebitt, annunciando i risultati. "Pertanto, i processi ottici potrebbero contribuire a rendere più veloci le memorie magnetiche in futuro. "

L’autore principale del documento, Bastian Pfau della TU di Berlino, ha detto che le osservazioni, che sono coerenti con le teorie e le simulazioni, mostrano come gli elettroni che transitano velocissimi attraverso il materiale possono distruggere la magnetizzazione nei campioni di cobalto-platino, passando attraverso i nano-domini magnetici vicini. Gli atomi in ciascun dominio hanno tutti i loro campi magnetici allineati nella stessa direzione.

"Quando sono bombardati da luce laser, gli elettroni rilasciati, che si diffondono attraverso il materiale, sfondano le pareti dei domini. Essi vanno da un dominio nel dominio confinante, che è magnetizzato nella direzione opposta, provocando la distruzione della magnetizzazione locale”, ha detto Pfau , aggiungendo che la comprensione di questo fenomeno può portare a dispositivi di memorizzazione magnetica migliorati.

"In futuro potremo miglioreremo i nostri esperimenti in modo che potremo non soltanto dimostrare la presenza dell’effetto, ma anche di quantificarne la forza", ha concluso lo scienziato.

Articolo originario di Glenn Roberts Jr.:
https://news.slac.stanford.edu/features/using-light-switch-magnetism

Immagine: © Bastian Pfau, TU Berlin