В Пенсильванском университете создали один из первых фототранзисторов / / Независимая газета

Лазер, накачиваемый энергией, на чипе c TFLN

Некогда вокруг нынешнего Измира простиралась обширная область Лидия. И был в ней царь Тантал, прославившийся тем, что приносил только страдания и муки своим подданным. За это он и пострадал – был «сослан» в подземный Аид, где обречен был богами на вечные жажду и голод (отсюда выражение «Танталовы муки»). Царскую дочь, Ниобу, боги тоже наказали, лишив ее детей, после чего несчастная мать обратилась в хладный камень-литос (для сравнения: литосфера; литография; литофиты, растущие на камнях).

Так случилось, что два «каменных» элемента, тантал и ниобий, соединились, дав многообещающий ниобат лития (LiNb). На это вещество ученые возлагают большие надежды. В частности, в отношении моделирования и повторения в промышленных масштабах уникального природного процесса – фотосинтеза.

Возможность улавливать солнечный свет возникла с «изобретением» океаническими одноклеточными организмами особых фотопротеинов (родопсинов) с ионными каналами. Возникающий ионный ток стимулирует фотосинтез. А перепад концентраций кальция, натрия и калия возбуждает нервные клетки, запускающие волну потенциала действия (Ра – Action potential) по своим отросткам. За открытие механизма генерации нервного импульса А. Ходжкин и А. Хаксли были удостоены Нобелевской премии в 1963 году.

Через 40 лет в Стэнфордском университете начались работы в направлении, которое получило название оптогенетика, или метод переноса древних родопсинов в животные клетки. В результате удалось менять поведение лабораторных мышей с помощью лазера, луч которого подается в мозг по оптоволокну. Даже маленьких «элегантных» круглых нематод C. elegns с помощью оптогенетических методов удалось заставить менять свое движение. В этом не было бы ничего удивительного, если бы эти действительно элегантные червячки, имеющие чуть более 1000 клеток, не меняли направление движения в ответ на цвета… светофора!

Частотный TFLN-модулятор, меняющий
цветность световой волны
с синей на желто-красную.
Электричество преобразовало цивилизацию. Но у электричества много недостатков, один из которых связан с его высокой пожароопасностью: поток электронов порождает много тепла в силу их взаимодействия с атомами. В этом отношении намного предпочтительнее фотоны, которые тоже бомбардируют материю и, как показывает фотосинтез, способны даже выбить из атома марганца электрон. Энергия его затем расходуется на фотолиз (разложение) воды, дающий протоны. Протонный ток генерирует синтез органики. Тем самым выяснилось, что органика может быть токопроводящей.

Техническое развитие привело к созданию полупроводников и на их основе – транзисторов. Это ознаменовало переход к электронике, породившей оптоволоконный интернет с передачей информации посредством света. И вот уже три четверти века идет процесс перехода на фотонику. Но ему мешает давнее открытие Исаака Ньютона, разложившего с помощью стеклянной призмы свет на разные цвета, отличающиеся по частоте или длине волны.

Самая длинная из них – у красного и инфракрасного света, который доходит до нас из самых дальних уголков вселенной в силу слабого взаимодействия с материей. По этой причине именно левая часть оптического спектра используется в оптоволоконной физике.

Круглый червячок C. elegns, меняющий
направление движения, сообразуясь
с сигналами светофора. Иллюстрации Physorg
В транзисторах используются электроны. Но вот в Пенсильванском университете с помощью монослоя сульфида молибдена (MoS2) атомной толщины создали один из первых фототранзисторов. Авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Materials, уместили на 0,09 см2 сенсор с 900 пикселями, каждый из которых потребляет всего несколько фемтоджоулей энергии (10–15 Дж). Их фотопроводимость регулируется, как в обычном транзисторе, «базой» (tunable gate) и обеспечивает спектральную стабильность.
Для промышленников немаловажно и то, что пиксельная сетка 30х30 монтируется на подложке из обычного стекла – SiO2.

Конкуренцию создателям сенсора оказывают их коллеги из Гарварда, также использовавшие тонкопленочную технологию TFLN (Thin Film Lithium Niobate), где LN означает ниобат лития (LiNb). Одна из их статей появилась в журнале Optica, другая – в не менее специализированном Light Science & Applications.

Использование LiNb в фотонике позволило создать модулятор частоты для изменения цветности света. При этом если на вход подается синий свет, то на выходе «получается» приемлемый для передачи информации по оптоволокну красный. Авторы подчеркивают, что с помощью нового девайса получили рекордный электронно-оптический shearing одиночных фотонов для телекоммуникации в терагерцовом диапазоне. («Ширингом» стригали называют снятие руна у овец.) Модулятор позволил также получить сжатие полосы пропускания отдельных фотонов в 18 раз. Тем самым появляется возможность осуществить квантово-спектральный контроль в пределах чипа.

А это, в свою очередь, обещает реализацию обработки на чипе квантовой информации.

В журнале Optica гарвардцы рассказали о создании на чипе с TFLN электрически накачиваемого лазерного трансмиттера-передатчика. Требуемая для накачки мощность 60 мВт подводилась по оптическим волноводам. Это позволило создать мощный трансмиттер, включающий в себя лазер, интегрированный с модулятором, использующим частоту 50 Гц. 

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Nature Catalysis: созданы эффективные катализаторы для искусственного фотосинтеза

Фото: Trnava University / Unsplash

Американские химики разработали новую искусственную систему фотосинтеза, которая по эффективности превосходит предыдущие фотокатализаторы. Она включает искусственные ферменты, состоящие из металл-органических каркасов и различных дополнительных соединений, улучшающих биохимические превращения. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Catalysis.

Многие искусственные ферменты отличаются от природных тем, что они не способны осуществлять сложные химические превращения, а катализируют лишь простые реакции из-за того, что в них присутствуют аналоги только активных центров. У естественных ферментов кроме таких центров имеются кофакторы — малые соединения, которые связаны с функциональными участками молекулы и также участвуют в биохимических реакциях. К таким соединениям относят, например, одиночные аминокислоты, пигменты, НАДФ и АТФ.

Исследователи Чикагского университета разработали искусственный фермент на основе металл-органических каркасов (MOF) — соединений, состоящих из ионов металлов и связанных с ними органических молекул. Они создали каркас MOZ, состоящий из гафния и иридия и включающий активные центры с атомами железа, в виде одного слоя, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности для химических реакций. Затем в монослои внесли различные аминокислоты — глутамин и аспарагин, — получив различные типы каркасов, обозначенные как MOZ-2 и MOZ-3.

Материалы по теме:

Полученные MOF добавляли в раствор восстановителя и тестировали при комнатной температуре, давлении углекислого газа в одну атмосферу и облучении видимым светом в течение шести часов. Активность каждого MOZ проверяли по количеству продуктов реакции — угарного газа и метана. MOZ-1 продемонстрировал семикратное увеличение эффективности по сравнению с простой смесью MOF и пигментов с атомами железа. MOZ-2 и MOZ-3 еще более активно преобразовывали углекислый газ, чем их предшественник.

Авторы изучили механизмы, которые играют важную роль в эффективности искусственных ферментов, и выяснили, что одним из важных факторов является стабильность водородной связи между углекислым газом и аминокислотами аспарагин и глутамин. На основе этого была создана MOZ-4, к которой присоединены боковые группы на основе мочевины, что позволило повысить активность катализатора в 27 раз. Дополнительно был создан катализатор фотоокисления воды MOZ-7 с боковыми амидными группами. Комбинация MOZ-4 и MOZ-7 позволила достигнуть полного искусственного фотосинтеза (1 + n)CO2 + 2h3O → Ch5 + nCO + (2 + n/2)O2, превзойдя известные фотокатализаторы по эффективности более чем на порядок.

По словам ученых, для промышленного получения природного газа потребуется масштабирование реакции на несколько порядков, поэтому говорить о таком практическом применении искусственных ферментов пока еще рано. Однако разработка может оказаться полезной для производства фармацевтических препаратов или, например, нейлона.

5.11A: Цель и процесс фотосинтеза

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    8995
    • Boundless (теперь LumenLearning)
    • Boundless

    В процессе фотосинтеза энергия света преобразуется в химическую энергию, которую организмы могут использовать для различных метаболических процессов.

    Цели обучения
    • Описать процесс фотосинтеза

    Ключевые моменты

    • Фотосинтез возник как способ накопления энергии солнечного излучения в виде высокоэнергетических электронов в молекулах углеводов.
    • Растения, водоросли и цианобактерии, известные как фотоавтотрофы, являются единственными организмами, способными осуществлять фотосинтез.
    • Гетеротрофы, неспособные производить себе пищу, полагаются на углеводы, вырабатываемые фотосинтезирующими организмами, для удовлетворения своих энергетических потребностей.

    Ключевые термины

    • фотосинтез : процесс, посредством которого растения и другие фотоавтотрофы вырабатывают углеводы и кислород из углекислого газа, воды и энергии света в хлоропластах
    • фотоавтотроф : организм, способный синтезировать собственную пищу, используя свет в качестве источника энергии
    • хемоавтотроф : простой организм, такой как простейшее, который получает энергию в результате химических процессов, а не фотосинтеза

    Важность фотосинтеза

    Процессы всех организмов — от бактерий до человека — требуют энергии. Чтобы получить эту энергию, многие организмы получают доступ к запасенной энергии, потребляя пищу. Хищники едят других животных, а травоядные едят растения. Но откуда берется запасенная в пище энергия? Вся эта энергия восходит к процессу фотосинтеза и световой энергии солнца.

    Фотосинтез необходим для всей жизни на Земле. Это единственный биологический процесс, который улавливает энергию из космоса (солнечного света) и преобразует ее в химическую энергию в форме G3P (
    Глицеральдегид-3-фосфат), который, в свою очередь, может превращаться в сахара и другие молекулярные соединения. Растения используют эти соединения во всех своих метаболических процессах; растениям не нужно потреблять другие организмы в пищу, потому что они строят все необходимые им молекулы. В отличие от растений, животные должны потреблять другие организмы, чтобы потреблять молекулы, необходимые им для их метаболических процессов.

    Процесс фотосинтеза

    Во время фотосинтеза молекулы в листьях захватывают солнечный свет и возбуждают электроны, которые затем накапливаются в ковалентных связях молекул углеводов. Эта энергия внутри этих ковалентных связей будет высвобождаться, когда они разрываются во время клеточного дыхания. Насколько долговечны и стабильны эти ковалентные связи? Энергия, извлекаемая сегодня при сжигании угля и нефтепродуктов, представляет собой энергию солнечного света, захваченную и сохраненную в результате фотосинтеза почти 200 миллионов лет назад.

    Растения, водоросли и группа бактерий, называемых цианобактериями, являются единственными организмами, способными к фотосинтезу. Поскольку они используют свет для производства собственной пищи, их называют фотоавтотрофами («самопитающимися, использующими свет»). Другие организмы, такие как животные, грибы и большинство других бактерий, называются гетеротрофами («другими кормушками»), потому что они должны полагаться на сахара, вырабатываемые фотосинтезирующими организмами для удовлетворения своих энергетических потребностей. Третья очень интересная группа бактерий синтезирует сахара, не используя энергию солнечного света, а извлекая энергию из неорганических химических соединений; следовательно, их называют хемоавтотрофами.

    Рисунок: Фотосинтетические и хемосинтетические организмы : Фотоавтотрофы, включая (а) растения, (б) водоросли и (в) цианобактерии, синтезируют свои органические соединения посредством фотосинтеза, используя солнечный свет в качестве источника энергии. Цианобактерии и планктонные водоросли могут разрастаться в воде на огромных площадях, иногда полностью покрывая поверхность. В (г) глубоководном жерле хемоавтотрофы, такие как эти (д) термофильные бактерии, захватывают энергию неорганических соединений для производства органических соединений. В экосистеме, окружающей жерла, обитает множество разнообразных животных, таких как трубчатые черви, ракообразные и осьминоги, которые получают энергию от бактерий.

    Важность фотосинтеза не только в том, что он может захватывать энергию солнечного света. Ящерица, загорающая в холодный день, может использовать солнечную энергию, чтобы согреться. Фотосинтез жизненно важен, потому что он развился как способ хранения энергии солнечного излучения (часть «фото-») в виде высокоэнергетических электронов в углерод-углеродных связях молекул углеводов (часть «-синтеза»). Эти углеводы являются источником энергии, которую гетеротрофы используют для обеспечения синтеза АТФ посредством дыхания. Таким образом, фотосинтез приводит к 99 процентов экосистем Земли. Когда высший хищник, такой как волк, охотится на оленя, волк оказывается в конце энергетического пути, идущего от ядерных реакций на поверхности солнца к свету, фотосинтезу, растительности, оленям и наконец, волк.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Автор
        Безграничный
        Лицензия
        CC BY-SA
        Версия лицензии
        4,0
        Показать оглавление
        нет
      2. Теги
          На этой странице нет тегов.

      Британика

      • Развлечения и поп-культура
      • География и путешествия
      • Здоровье и медицина
      • Образ жизни и социальные вопросы
      • Литература
      • Философия и религия
      • Политика, право и правительство
      • Наука
      • Спорт и отдых
      • Технология
      • Изобразительное искусство
      • Всемирная история
      • В этот день в истории
      • Викторины
      • Подкасты
      • Словарь
      • Биографии
      • Резюме
      • Популярные вопросы
      • Обзор недели
      • Инфографика
      • Демистификация
      • Списки
      • #WTFact
      • Компаньоны
      • Галереи изображений
      • Прожектор
      • Форум
      • Один хороший факт
      • Развлечения и поп-культура
      • География и путешествия
      • Здоровье и медицина
      • Образ жизни и социальные вопросы
      • Литература
      • Философия и религия
      • Политика, право и правительство
      • Наука
      • Спорт и отдых
      • Технология
      • Изобразительное искусство
      • Всемирная история
      • Britannica объясняет
        В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
      • Britannica Classics
        Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
      • Demystified Videos
        В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
      • #WTFact Видео
        В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
      • На этот раз в истории
        В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
      • Студенческий портал
        Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, правительство, литература и т. д.
      • Портал COVID-19
        Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
      • 100 женщин
        Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.