Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky VII

Bezpečný za jakékoliv rychlosti. Nová nelineární akustická zobrazovací metoda by mohla být prospěšná při inspekcích mostů, jako je tento v Bristolu v Anglii. (foto: Anthony Brown/iStock/Thinkstock)

Otázky „Může matematický model říct něco o šíření epidemií?“ a „Mohou plasmony měnit světlo na elektrickou energii?“ jsou každá z jiného pytle, ale pokusy o odpovědi ukazují, jak široké má fyzika uplatnění. O tom se dnes něco dozvíte. Nejdříve jedna ryze praktická.

Zviditelňování mikroskopických trhlin akustickou metodou

Nová akustická zobrazovací metoda umožňuje odhalit doteď nezjistitelné trhliny například v mostních konstrukcích nebo v křídlech letadel. Dává tak možnost včas zjistit nebezpečné defekty, které by později mohly způsobit velké katastrofy.

Jedná se o první systém, který je schopen lokalizovat tak zvané akustické nelinearity, což jsou místa, kde se zvukové vlny nechovají jako v homogenním materiálu. Tyto nelinearity často označují praskliny nebo místa extrémní únavy materiálu. Technici doufají, že jim nová metoda umožní důkladnější kontrolu důležitých součástí nebo stavebních konstrukcí.

Tradiční „lineární“ akustické zobrazování používá pole převodníků, které vysílají zvukové pulsy do materiálu a měří jejich odraz. Tak se zjišťují třeba praskliny v dálničních mostech. Jenže například vlasové trhliny, které jsou vzhledem k přicházejícímu zvukovému pulsu nevhodně orientovány, odrážejí zvuk jen velmi slabě a jsou touto metodou prakticky nezjistitelné.

Nelineární metoda je založena na tom, že trhliny mohou jako odezvu na jednu vstupní frekvenci generovat i zvukové vlny jiných frekvencí. Je to způsobeno tím, že porušené vazby umožňují vznik přídavných vibrací. Jiné frekvence se mohou generovat i v oblastech blízko trhliny, kde únava materiálu mění mikrostrukturu materiálu. Metoda může být užitečná i při identifikaci patologických změn v živých tkáních nebo při rozlišování různých typů hornin v geologickém výzkumu.

Fyzici z Bristolu teď předvedli jednoduchou metodu nelineárního akustického zobrazování, která kombinuje dvě zavedené lineární metody. V první „paralelení“ metodě se zvukové pulsy vysílají ze všech převodníků najednou s příslušným zpožděním tak, aby se zvukové vlny v materiálu soustředily do jednoho ohniska. Převodníky pak detekují odražené vlny. Druhá „sekvenční“ metoda spočívá v postupném vysílání zvukových vln, kdy pole převodníků detekuje separátní odezvy. Odražené vlny se vyhodnocují až ve fázi zpracování dat.

Tyto dvě metody poskytují stejné výsledky, když je materiál čistě lineární. Pokud ale obsahuje nelineární efekty, výsledky se výrazně liší. Rozdíl v amplitudách odražených vln je pak mírou nelinearity materiálu v místě ohniska. Opakování celého procesu v různých bodech poskytne obrázek o nelinearitách v použitém materiálu.

Nová technika je příkladem toho, jak je i pro ryze praktické účely důležitá vysoká přesnost, které lze dosáhnout poměrně jednoduchými fyzikálními metodami.

(Zdroj)

Mohou plasmony měnit světlo na elektrické napětí?

Seriozní a obecně uznávaný časopis Science uveřejnil článek, který rozbouřil fyzikální vody. Některé ohlasy začínají „Wow…“, jiné „Wrong“. Myšlenka sama je nicméně určitě hodna pozornosti.

Tým amerických a evropských fyziků tvrdí, že se jim podařilo vytvořit nový systém přeměny světla na elektrické napětí. Na rozdíl od většiny dosavadních systémů není třeba používat polovodiče, základem jsou povrchové plasmony na kovových nanostrukturách.

Povrchové plasmony jsou kolektivní oscilací elektronů na povrchu kovu, které interagují velmi silně se světlem. Plasmony jsou tedy z technologického hlediska velmi důležité ve funkci rozhraní mezi fotonikou a elektronikou. Jejich interakce se světlem je nejsilnější ve stavu rezonance, který je definován rozměry a tvarem objektu a hustotou náboje. Již v roce 2009 australští fyzici zjistili, že pokud na zlatých nanočásticích vznikne elektrický potenciál, je možno ladit rezonanční frekvenci plasmonů zvyšováním nebo snižováním počtu elektronů.

V nové práci fyzici z California Institute of Technology a Holandska ukázali, že se může vyskytnout i opačný případ. Povrchový potenciál může být modifikován použitím světla, které mění hustotu náboje v nanočásticích. Tým použil zlaté nanočástice s rezonanční vlnovou délkou 550 nm, umístěné na povrchu substrátu z oxidu india a cínu. Pak na substrát svítili laditelným laserem a měnili vlnovou délku v intervalu od 480 do 650 nm. Během ozařování monitorovali povrchový elektrický potenciál pomocí hrotu atomového silového mikroskopu.

Když se laser dostal do rezonance s povrchovými plasmony, neindukovalo se žádné napětí. Ozařování na obou stranách rezonanční frekvence ale napětí produkovalo. Pokud byla vlnová délka menší než 550 nm, naměřili na zlatých nanočásticích záporný potenciál, zatímco při delších vlnových délkách byl potenciál kladný. Nejvyšší záporný potenciál byl produkován při vlnové délce 500 nm. Fyzici nabízejí následující termodynamické vysvětlení tohoto jevu: Pokud na strukturu dopadá světlo, minimalizace volné energie způsobí, že se struktura pokouší nastavit hustotu náboje tak, aby se dostala do rezonance s excitujícím světlem.

Testováním různých typů plasmonických materiálů se zjistilo, že model má obecnou platnost. Například tenká zlatá vrstva s periodicky uspořádanými otvory o velikosti 10 mikrometrů na skleněném substrátu vykazuje stejné výsledky se zápornými i kladnými maximy, odpovídajícími navrženému termodynamickému modelu.

Tým teď pracuje na zařízení, které by bylo schopno fungovat jako solární článek. Vědci věří, že by takové zařízení mohlo doplnit soustavu tradičních polovodičových slunečních článků v tom smyslu, že by bylo schopno využít i infračervenou část spektra.

Někteří specialisté na nanooptiku považují tuto práci za velmi působivou a důležitou z technologického i termodynamického hlediska. Někteří pochybují o možnosti praktického využití nového jevu, a to například kvůli nestabilitám, způsobeným okolními podmínkami, jako je třeba rychlá degenerace takových struktur v důsledku oxidace vzhledem k velkému poměru povrchu k objemu.

Takže teprve budoucnost ukáže. Autoři slibují zveřejnění další důležité teoretické práce, a to již velmi brzy.

(Zdroj)

Pár dlouhých přeskoků může způsobit epidemii

Jak se v nedávné minulosti ukázalo, jeden mezikontinentální let může změnit regionální šíření určitého viru v globální zdravotní problém. Fyzici teď vypracovali počítačový model, který ukazuje, že frekvence těchto dálkových přeskoků má významný vliv na rychlost šíření infekce. Taková simulace může popsat i šíření některých druhů rostlin nebo živých organismů, genetických mutací v populaci nebo dokonce i různých pravdivých i poplašných zpráv. V historických dobách se nemoci, genetické mutace a různé rostlinné druhy obvykle šířily relativně pomalu, protože jednotlivci se pohybovali během svého života většinou jen v malém okruhu vzdáleností. Takový druh šíření nazvali fyzici z Kalifornie „vlnovým“ nebo „kruhovým“ šířením, protože se populace od místa výskytu pohybovala přibližně v kruhu. Ilustruje to epidemie moru, která se v Evropě ve středověku šířila rychlostí 300 – 600 km za rok.

Dnes je všechno jinak. Patogeny nebo různé rostlinné druhy se mohou šířit po městech, celých kontinentech nebo i přes oceán v průběhu dní. Jedinci mohou zakládat nové populace, které mohou znovu přeskakovat na dlouhé vzdálenosti do nových teritorií. Aby mohli toto šíření popsat matematicky, vyvinuli fyzici počítačovou simulaci, ve které se takové šíření na dlouhé vzdálenosti děje nepřetržitě, ale velmi malou rychlostí.

Fyzici ze Stanfordovy univerzity ale vycházejí z toho, že se tyto události nevyskytují kontinuálně, ale v diskrétních krocích, reprezentujících dálkové lety nebo plavby přes moře a oceány. Chtějí zjistit, jak tyto řídké náhodné jevy ovlivňují celkovou rychlost šíření nemocí nebo mutací. Tak důležitou závislost totiž doteď ještě nikdo nezkoumal. Vytvořili dvojrozměrnou mřížku, představující model naší zeměkoule. Simulace začíná jednou infikovanou osobou v jednom bodě mřížky. V jednom časovém kroku má infikovaná osoba určitou pravděpodobnost přemístění a infikování další osoby v dalším bodě mřížky. Obecně je větší pravděpodobnost, že se infikovaná osoba bude pohybovat do nejbližšího bodu, než že se přemístí do bodu velmi vzdáleného. Při různých podmínkách modelování měnili fyzici skutečné rozdělení pravděpodobnosti „skoků“ a velikost těchto skoků. Pokud je pravděpodobnost dostatečně nízká, šíření je pomalé a kruhové. Pokud je ale pravděpodobnost vyšší, dostatek jedinců stačí vytvořit nové ohnisko daleko od původního, a tím rychlost šíření dramaticky roste.

Model není schopen předpovídat šíření reálných nemocí, jako je ebola nebo prasečí chřipka. Tyto nemoci se šíří podél lidských dopravních sítí, které daleko častěji než rovnoměrně rozdělené vesnické usedlosti zahrnují velká města. Model navíc neobsahuje detaily, jakými jsou třeba míra infekčnosti a doba zotavení, potřebné k přesnému určení rychlosti šíření konkrétní nemoci.

Jenže ani složitější modely, které by obsahovaly tyto detaily, by neusnadnily předpovídání šíření infekčních nemocí. Ty jsou totiž velmi individuální a jsou silně ovlivněné počátečními podmínkami. Zvolení co nejjednoduššího modelu dovolilo fyzikům tyto problémy obejít, poskytlo jim ale řadu významných poznatků.

I když se na první pohled zdá být velmi jednoduchou, podle řady odborníků se jedná o velmi významnou práci. Zajímavé podle nich bude empirické ověření zjištěných závislostí.

(Zdroj)

Práce byly převzaty z Physical Review Letters, October 2014, a Science, October 2014.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop