Текст книги "Журнал "Компьютерра" N741-742"
Автор книги: Компьютерра Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)
Впрочем, есть и еще более простой вариант наномотора, у которого не три нанотрубки, а только две. Правда, в этом случае внутренняя трубка должна быть одним концом погружена в какую-нибудь проводящую жидкость, например в ртуть.
К сожалению, новый мотор существует пока лишь в расчетах.
А чтобы убедиться в их справедливости, необходимо проделать эксперимент, который запросто может спутать все карты. ГА
По закону скручивания
Удивительный универсальный закон открыли физики из Университета Сантьяго в Чили и Чикагского университета.
Оказывается, форма конца листа бумаги или любого другого материала, отслоившегося от внутренней части рулона, всегда образует с ним строго определенный угол.
Возьмите любой лист бумаги и сверните в рулон. Нетрудно заметить, что внутри лист не будет лежать на окружности. Его конец, занимающий на окружности 125,2 градуса, слегка отслоится и образует с ней острый угол 24,1 градуса. Так лист ведет себя, чтобы минимизировать энергию упругой деформации.
Интуиция подсказывает, что форма конца листа внутри рулона должна как-то сложно зависеть от диаметра рулона, толщины и упругости материала. Но, оказывается, это не так! Форма конца листа и углы универсальны, если в ненапряженном состоянии он плоский.
Ученым удалось строго доказать универсальность "закона скручивания" и проверить его в многочисленных экспериментах.
Отклонение от угла 24,1 никогда не превышало одного градуса.
Но самое удивительное, что этот закон мог быть открыт еще дватри столетия назад. По крайней мере, уже тогда были известны все законы упругости и развит необходимый математический аппарат. Конечно, строго доказать это утверждение очень не просто, но гении прошлого справлялись и с более трудными задачами. По всей видимости, такая мысль просто никому не пришла в голову. Да и сегодня не очень ясно, как можно использовать это явление с пользой для дела. Впрочем, во время своих изысканий ученые обнаружили похожие закономерности для листов, скрученных в конус, и для закрученных волокон. А это уже ближе к задачам, возникающим при анализе свертывания белков, упаковки молекул ДНК и ряду других приложений. ГА
Медный лес
Новое нанопокрытие, существенно облегчающее процесс кипения жидкости, предложили ученые из Ренсселерского политехнического института (Rensselaer Polytechnic Institute). Покрытие может пригодиться для тепловых труб и систем жидкостного охлаждения компьютерных чипов.
Кипение жидкости, особенно на твердой поверхности, к которой подводится тепловой поток, очень непростой процесс.
Чтобы в этом убедиться, достаточно послушать, как по-разному может шуметь обыкновенный чайник. Дело в том, что жидкости нужен хотя бы маленький пузырек воздуха или пара, чтобы было куда испаряться. А для образования такого пузырька в объеме чистой жидкости нужна значительная энергия. Вот почему чистую жидкость можно значительно перегреть, что порой заканчивается взрывным вскипанием.
На поверхности того же чайника, котла или системы охлаждения чипа обычно имеются неоднородности и дефекты различных размеров, которые служат центрами парообразования, являясь пристанищем для микропузырьков воздуха или пара. Жидкость начинает испаряться в эти "зародыши", они растут, отделяются от поверхности и всплывают. К сожалению, большие каверны с воздухом используются для образования пузырька только один раз, а затем заполняются жидкостью. А чтобы жидкость начала испаряться в нанокаверну с очень маленьким пузырьком, ее нужно заметно перегреть.
Кроме того, если к поверхности подводить слишком много тепла, пузырьки на ней начинают расти слишком быстро, сливаются в сплошную пленку пара, которая изолирует поверхность от остальной жидкости, резко снижая теплоотдачу.
Наступает так называемый кризис кипения, который может разрушить устройство.
Чтобы отдалить кризис кипения, ученые давно придумали делать поверхность шершавой или покрывать ее тонким слоем пористого материала. Однако новое покрытие из густого леса медных наностержней, выращенных на медной подложке, обещает побить все рекорды. Высота таких стержней около четырехсот нанометров, и они образуют нечто похожее на игольчатый радиатор. Стержни обеспечивают надежный тепловой контакт между охлаждаемой поверхностью и жидкостью, а также достаточно места для образования новых пузырьков пара, которые могут легко покинуть поверхность. Такой "нанолес" обеспечивает стабильное образование пузырьков и повышает эффективность охлаждения, позволяя снимать с той же поверхности больший тепловой поток.
По мнению экспериментаторов, их новое нанопокрытие найдет применение не только в электронике, но и во многих отраслях промышленности, где требуется превращать различные жидкости в пар. ГА
Микроскоп в чипе
Революцию в электронной микроскопии уже спустя несколько месяцев обещает молодая английская компания NFAB, работающая в тесном содружестве с учеными из Солфордского и других европейских университетов. Там разрабатывается сканирующий электронный микроскоп принципиально нового типа, способный поместиться в миниатюрный чип и поз во ляющий разглядеть даже отдельные молекулы.
Современные сканирующие электронные микроскопы это дорогие установки внушительных размеров, в которых созданы необходимые условия (глубокий вакуум, напряжение в десятки киловольт, сложнейшая система электронных линз и детекторов). Лучшие из них имеют разрешение в пять сотых нанометра, но большинство, из-за трудности фокусировки электронных пучков, обеспечивают разрешение не более десяти нанометров.
И вот всю эту груду дорогостоящего оборудования ученые предлагают заменить небольшими доступными чипами, которые будут изготавливаться по технологии микромеханических устройств с предельным напряжением в несколько сотен вольт.
Типичное разрешение у них достигнет одной сотой нанометра – в пять раз лучше, чем у рекордных образцов их старших собратьев. Кроме того, энергия электронного пучка и токи в новых микроскопах будут на несколько порядков меньше, что позволит исследовать даже "нежные" объекты вроде живых белков и ДНК.
Новинка чем-то похожа на туннельный или атомно-силовой сканирующий микроскоп. Электроны у нее испускает не большой горячий катод, а единственный атом золота на острие нанопирамидки, которая закреплена на конце подвижного кронштейна. Затем электроны пролетают через отверстия нескольких фокусирующих пластин из металла и кремния, на которые подается управляющее напряжение. Преодолев всего пять-десять микрон, электроны достигают изучаемого образца и, отражаясь от него, как обычно, попадают в детектор.
По расчетам разработчиков, высокого разрешения в новом микроскопе гораздо легче достичь благодаря тому, что электроны летят до образца не несколько десятков сантиметров, а всего несколько микрон, их в пучке мало, а значит, они меньше мешают друг другу. Однако использование только электростатических электронных линз сильно ограничивает возможности фокусировки электронов и коррекции аберраций.
Многие специалисты с энтузиазмом восприняли идеи, заложенные в новом электронном сканирующем микроскопе, хотя и скептически относятся к оценкам его рекордного разрешения.
Флуктуации энергии электронов и другие неоднородности могут легко разрушить теоретическую идиллию. Чтобы выяснить, кто из ученых окажется прав, остается подождать примерно полгода, когда появится первый рабочий прототип нового микроскопа. Но уже очевидно, что такие устройства будут весьма востребованы электронной промышленностью. ГА
Sony, вид сзади
Корпорация Sony объявила о разработке освещаемого с обратной стороны CMOS-сенсора для видеокамер и фотоаппаратов. По сравнению с традиционной компоновкой у него вдвое увеличена чувствительность и на четверть уменьшены шумы, что гарантирует существенное улучшение качества получаемых изображений и видео.
Первые прототипы 5-мегапиксельной матрицы размером 1/3,2 дюйма предназначены в основном для продвинутых видеокамер, обеспечивающих съемку со скоростью до 60 кадров в секунду.
При обычной компоновке расположенные над фотодиодами проводники и транзисторы мешают прохождению света. Этот недостаток полностью устранен в новом "перевернутом" сенсоре, у которого фотодиоды расположены сразу за микролинзами и фильтрами, а все проводники и электроника смонтированы за ними и не мешают фотонам. Преимущества технологии особенно сильно проявляются в условиях плохой освещенности и при работе камеры на широких диафрагмах.
Собственно идея "перевернутых" сенсоров не нова. Например, компания OmniVision уже освоила производство фотомодулей для мобильных телефонов на их основе. Но в отличие от обычных CMOS-сенсоров перевернутые труднее изготовить, к тому же, в силу молодости технологии, они страдали от дополнительных шумов, темнового тока, большего процента "битых" пикселов и смешения цветов в близко расположенных фотодиодах и фильтрах. Все это сильно ухудшало качество изображения и сводило на нет очевидные преимущества перспективного метода.
Инженерам японского гиганта удалось справиться с большей частью недостатков: снизить шумы, темновой ток и разработать новую оптическую систему для сбора света на фотодиоды. Это позволило добиться более чем двукратного улучшения отношения полезного сигнала к шуму даже на средних диафрагмах. Кроме того, теперь у разработчиков появилась возможность значительно усовершенствовать и усложнить электронные схемы обработки сигнала от каждого пиксела.
Элементы уже не загораживают свет и могут быть заметно увеличены в размерах. И в этом у "перевернутой" технологии есть немалый потенциал. ГА
Паспорт для пингвина
Любопытную компьютерную систему для «паспортизации» и изучения африканских пингвинов разработали ученые из Бристольского университета. Система обещает произвести революцию в биологии, поскольку позволяет наблюдать сразу за большим количеством диких животных, не причиняя им ни малейшего беспокойства.
Традиционные методы изучения поведения птиц и прочей живности на воле, как правило, предполагают их кольцевание или снабжение какой-то иной меткой, чтобы иметь возможность отличить одну особь от другой. Но для этого птицу или зверя сперва нужно поймать, что не только связано с определенными трудностями, но и всегда является для них сильнейшим стрессом.
Современные технологии радиометок, конечно, облегчают дальнейшее наблюдение, но все равно сбор достаточного количества статистических данных часто остается неразрешимой проблемой.
Новый способ наблюдения за животными использует успехи систем компьютерного зрения и технологий идентификации личности. В принципе, он применим для наблюдения за любыми живыми созданиями от насекомых до китов – лишь бы у них на теле был достаточно сложный индивидуальный рисунок. У живущих на юге Африки ослиных пингвинов (Spheniscus demersus)это строго индивидуальный набор темных пятен на белой груди.
Ослиными этих крупных птиц, рост которых достигает 70 см, прозвали за весьма характерные крики. Сейчас этот единственный вид живущих в Африке пингвинов находится на грани вымирания и занесен в Красную книгу.
Новая система пока состоит из единственной камеры и компьютера. Однако даже это скромное оборудование позволяет создать базу данных о колонии и затем различать пингвинов по видеоряду или даже отдельным изображениям с вероятностью 98%. Ошибки возникают, если одна птица заслоняет другую или для съемки недостаточно освещения. В следующей версии системы с инфракрасной камерой, способной надежно работать днем и ночью и интеллектуально следовать за движущимися объектами, эти недостатки должны быть устранены. Предварительные эксперименты с распознаванием зебр и акул также дали весьма обнадеживающие результаты.
Авторы уверены, что их система придется ко двору биологам и экологам, поскольку впервые даст в руки ученых инструмент для сбора точных и надежных данных о перемещениях птиц и зверей в естественной среде обитания. Эти знания помогут лучше понять поведение многих диких животных и найти способ спасти исчезающие виды. ГА
Новости подготовили
Галактион Андреев
Александр Бумагин
Татьяна Василькова
Владимир Головинов
Евгений Золотов
Денис Коновальчик
Игорь Куксов
Павел Протасов
Дмитрий Шабанов
Константин Шиян
новости: Куда уходят чудные мгновенья?
Куда уходят чудные мгновенья?Автор: Евгений Гордеев
Опубликовано в журнале "Компьютерра" N25-26 от 08 июля 2008 годаИсследовательская группа из Калифорнийского университета (University of California, Los Angeles) под руководством Дэвида Глэнзмана (David Glanzman) получила новые данные о деталях синаптической передачи в организме морского зайца (Aplysia), позволяющие полнее представить механизм формирования долговременной памяти.
Впервые гипотезу о химической передаче сигнала между нейронами с участием особых веществ-посредников – нейромедиаторов – выдвинул английский ученый Т. Эллиот (T. Elliott) еще в 1904 году. Затем благодаря работам австрийского физиолога Отто Леви (Otto Loewi), английского физиолога Генри Дейла (Henry Dale) и русского физиолога Александра Самойлова эта идея нашла экспериментальное подтверждение. В 1936 году Леви и Дейл были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине "за исследование химической природы передачи нервного импульса". С тех пор и до настоящего времени механизм межнейронного взаимодействия является одной из важнейших областей нейробиологии.
Стоит напомнить, что в отличие от других клеток организма нейроны обладают длинными отростками (аксонами и дендритами), позволяющими им контактировать между собой и с окружающими клетками (у млекопитающих длина аксонов может быть более метра). Концентрация некоторых ионов (в первую очередь ионов калия, натрия, кальция и хлора) внутри отростков и в окружающей их среде различна. За счет этого появляется разность потенциалов по отношению к мембране аксона. Ионы могут проникать внутрь отростков и выходить из них через специальные белковые ионные каналы, пронизывающие внешние стенки аксонов. Таким образом, вдоль аксона одного нейрона нервный импульс передается как электрический сигнал: в виде изменения разности потенциалов (сами ионы вдоль отростка не перемещаются, а служат только для создания электрического напряжения).
Скорость распространения такого электрического импульса у разных организмов и в различных группах нейронов одного организма колеблется в широких пределах и может достигать нескольких сотен метров в секунду. Рекордсменами по этому показателю являются креветки, аксоны которых проводят возбуждение со скоростью выше 200 м/с.
Передача сигнала между нейронами осуществляется с помощью синаптических контактов (синапсов). Синапс представляет собой место взаимодействия окончаний отростков через небольшой зазор (синаптическую щель). Как только электрический импульс достигает синапса, в аксон передающего нейрона (пресинаптического) устремляются ионы кальция, запускающие выделение нейромедиатора в синаптическую щель. Затем молекулы медиатора диффундируют к отростку принимающего сигнал нейрона (постсинаптического). На принимающей стороне находятся белковые рецепторы для молекул медиатора, которые одновременно являются ионными каналами, впускающими ионы внутрь отростка. Присоединение молекул медиатора к рецепторам-каналам постсинаптического нейрона открывает их для ионов, вследствие чего происходит изменение электрического потенциала, и сигнал перемещается дальше уже снова в виде электрического импульса. Описанный механизм характерен для прямой (или быстрой) синаптической передачи, а соответствующее действие медиаторов было названо ионотропным. Быстрая передача призвана обеспечивать немедленную реакцию нервной системы на внешние воздействия. В организме человека быстрая синаптическая передача отвечает за регулирование восприятия, движений, речи.
В начале 1970-х годов было показано, что некоторые нейромедиаторы, такие как серотонин, орадреналин, дофамин, действуют в нервной системе по механизму, совершенно отличному от быстрой синаптической передачи. Американский биохимик Пол Грингард (Paul Greengard) установил, что эти медиаторы не просто изменяют мембранный потенциал, а на глубоком уровне влияют на обмен веществ в самом нейроне, приводя к длительным изменениям в способности синапсов проводить сигналы. Это явление было названо непрямой (или медленной) синаптической передачей, ответственной за такие сложные свойства нервной системы, как эмоции и память. Эффекты, связанные с медленной передачей, получили название метаботропные. Позднее американский физиолог Эрик Кендел (Eric Kandel), тоже выбравший в качестве объекта исследований морского зайца, установил ключевые стадии формирования кратковременной и долговременной памяти по механизму медленной синаптической передачи. Оказалось, что при относительно слабом входящем стимуле метаботропные медиаторы, проникая в постсинаптический нейрон, вызывают изменение структуры белковых ионных каналов, тем самым изменяя восприимчивость нейронов к импульсам и эффективность передачи сигнала синапсами. Эти структурные изменения могут сохраняться довольно долго (от нескольких минут до нескольких дней). Так формируется кратковременная память. По прошествии некоторого времени каналы могут снова принять первоначальную форму, и слабый стимул, вызвавший их, будет «забыт». Если стимул сильный, то нейромедиатор через каскад биохимических реакций дает сигнал ядру нейрона запустить синтез новых белков, под действием которых может меняться структура самого синапса (например, увеличивается площадь синаптического контакта) или начаться рост новых отростков для формирования дополнительных межнейронных связей. Такие изменения структуры могут сохраняться до конца жизни организма, являясь материальным носителем его долговременной памяти. Медленная синаптическая передача выполняет модулирующую функцию, она прокладывает новые пути для распространения сигналов быстрой передачи.
Некоторые из них остаются "тропинками", другие превращаются в "скоростные шоссе". В 2000 году Грингард и Кендел совместно со шведским фармакологом Арвидом Карлсоном (Arvid Carlsson) были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в первую очередь за открытие и исследование медленной синаптической передачи.
Интересно, что ключевые стадии формирования памяти примерно одинаковы у различных организмов. Поэтому механизмы, установленные на примере моллюсков, могут быть с высокой степенью достоверности перенесены и на млекопитающих, в том числе на человека. Кроме того, нервная система моллюсков достаточно проста, чтобы приблизиться к пониманию взаимодействия ее частей и формирования памяти (условных рефлексов).
Так, центральная нервная система морского зайца состоит всего из 20 тысяч нервных клеток, причем некоторые из них можно увидеть невооруженным глазом (для сравнения, головной мозг человека содержит около 100 млрд. нейронов, каждый из которых в среднем образует 10 тысяч синапсов с другими нейронами).
Именно этим объясняется интерес нейробиологов к аплизии. Моллюск многие годы является одним из основных объектов нейробиологических исследований (например, группа Глэнзмана "верна" аплизии уже четверть века).
Исследуя биохимические глубины процесса запоминания у морского зайца, калифорнийские ученые наткнулись на доселе неизвестное явление. Оказалось, что присоединение серотонина к постсинаптическому нейрону вызывает в последнем увеличение содержания ионов кальция. Затем эти ионы выделяются в синаптическую щель и мигрируют обратно к пресинаптической нервной клетке. Там ионы запускают процесс синтеза белков, которые также принимают участие в регулировании долговременного изменения структуры синапсов и образования новых связей.
Таким образом, Глэнзман с сотрудниками открыли обратную передачу сигнала от принимающего нейрона к передающему, происходящую в ответ на прямой нейромедиаторный сигнал. То есть, согласно результатам этого исследования, чтобы запустить вышеописанные процессы формирования долговременной памяти, мало дать "классический" прямой сигнал, нужно еще дождаться ответа в виде потока ионов кальция. Зачем нужна эта дополнительная стадия? По мнению Глэнзмана, такой механизм предотвращает долговременные изменения синапсов по "неуважительной" причине, то есть играет роль своеобразного фильтра, отсеивающего внешние стимулы, "недостойные" быть зафиксированными механизмом долговременной памяти. Обратный кальциевый сигнал – это своего рода подтверждение о запуске синтеза молекулярных структур, необходимых для сохранения информации в долговременной памяти – так мозг выбирает из всего потока важную информацию.
Пока не ясно, все ли метаботропные нейромедиаторы вызывают обратный сигнал или только серотонин. Неизвестен в деталях и механизм включения синтеза белка ионами кальция в пресинаптической клетке: по данным лаборатории UCLA, такое явление наблюдается впервые. Чтобы ответить на эти вопросы, сейчас активно ведутся исследования. Но ответы, скорее всего, приведут к новым вопросам, и так снова и снова… Во всяком случае, за более чем вековую историю изучения химической передачи сигналов в нервной системе до сих пор именно так и было.
Результаты исследований калифорнийских биологов опубликованы на сайте журнала Current Biology. Будем надеяться, что итоги работы группы американских ученых войдут в долговременную память научного сообщества.
