Svart, svartare, nanorör

En svartkroppsstrålare är ett tänkt föremål som absorberar 100% av allt infallande ljus - den är helt svart. Men, som namnet antyder sänder den även ut ljus. Färgen på det utsända ljuset är helt och hållet bestämd av föremålets temperatur, och beskriver en kurva med ett emissionsmaximum som går mot längre våglängder med lägre temperatur. Kurvan, emissionsspektrumet, beskrivs av Plancks berömda formel:

Teorin för svartkroppsstrålning var ett av de fundamentala brotten med den klassiska fysiken och ett steg i utvecklingen av kvantfysiken. För att få fram rätt uttryck krävs nämligen att man antar att energin hos ljuset är kvantiserad.

Matta av nanorör. Bild från [2].

Men perfekta svartkroppar finns inga. Stjärnor är nästan svartkroppsstrålare, men de har spektrallinjer - de berömda Fraunhoferlinjerna, där atomer i stjärnas ytterlager absorberar strålning. Andra exempel på material med extremt låg reflektion (=hög absorbtion) är t.ex. nanofraktalt guld och super black, en speciellt etsad nickel-fosforlegering. För några år sedan upptäcktes att mattor av vertikala kolnanorör (VACNTs) har extremt låg reflektion. I Nano Letters publicerade Ajayans grupp en artikel¹ där de mätte reflektionen i synligt ljus från sådana nanorör och konstaterade att det var det "svartaste" föremålet någonsin tillverkat. Reflektionen var under 0,05%. Som jämförelse kan nämnas att matt svart färg reflekterar ca 1,5% av det inkommande ljuset. Strax efter lyckades Hata, känd från "superväxt" av nanorör, och hans kollegor mäta² att liknande mattor av enkelväggiga nanorör beter sig som nästan perfekta svartkroppar från UV (200nm) till långt ut i det infraröda området (200µm). De har en nästa våglängdsoberoende absorption på över 98% genom hela det området och är därmed de mest svartkroppslika föremål som tillverkats.

I en artikel som skall publiceras i Nano Letters³ har forskare från NIST utnyttjat den här egenskapen hos nanorörmattor för att skapa en supersvart ytbeläggning för en IR-detektor. En IR-detektor fungerar så att den absorberar infrarött ljus, vilket omvandlas till värme. Sedan mäter man hur mycket detektorn värms upp för att på så sätt bestämma ljusintensiteten. Det är därför väldigt viktigt att detektorn inte reflekterar något ljus. Det var för detta ändamål det ovan nämnda super black utvecklades. Forskarna från NIST visar att nanotubsbeläggningen är mindre reflekterande än andra beläggningar, och därtill har de högre värmeledningsförmåga, vilket är ytterligare ett plus.

Det verkar alltså som om nanorör kanske har en mörk framtid, vilket i alla fall i detektorvärlden är en positiv egenskap.

Referenser (bakom betalväggar):
1.    Z.-P. Yang, et al., Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array. Nano Lett., 2008. 8(2): p. 446-451.
2.    K. Mizuno, et al., A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes. Proc. Nat. Acad. Sci., 2009. 106(15): p. 6044-6047.
3.    J. Lehman, et al., Very Black Infrared Detector from Vertically Aligned Carbon Nanotubes and Electric-Field Poling of Lithium Tantalate. Nano Lett., 2010. In Press. doi: 10.1021/nl100582j

Ny art bildad från andra arter

Två olika arter av däggdjur kan oftast inte få någon avkomma tillsammans och om de får det är den oftast steril (tex en mula som har en häst och en åsna som föräldrar). Även om enstaka hybrider kan vara fertila är det mycket ovanligt att nya arter av däggdjur bildas genom att befintliga arter korsar sig och bildar hybrider som sedan fortsätter att föröka sig som en separat art. Det är inte vanligt hos andra djur heller men förekommer oftare hos fiskar än hos däggdjur. Nu har några forskare i Texas visat att en fladdermusart som heter Artibeus schwartzi som finns på några öar i Karibien har bildas genom att två (och kanske till och med tre) andra arter har hybridiserat. Genom att jämföra DNA har de sett att det DNA som finns i cellkärnan (den stora majoriteten av allt DNA) hos Artibeus schwartzi är en blandning av DNA från två andra kända arter medan det DNA som finns i mitokondrien (som bara ärvs från mor till barn) inte verkar komma från någon av dessa två arter utan från en tredje ännu okänd art. Artikeln är intressant eftersom den visar på ett ovanligt fenomen i naturen.

Referens:

Larsen et al. (2010) Natural hybridization generates mammalian lineage with species characteristics. PNAS 107:11447-11452

Mikroskop för mobilen

En grupp forskare vid UCLA har nyligen skapat ett mikroskop där detektorn utgörs av kameran i en mobiltelefon. Forskarna publicerade sin uppfinning i Lab on a Chip*. Mikroskopet som bara väger 38g inklusive batteri, är utan linser, utan fungerar med hjälp av holografi. Enkelt sagt kan man säga att hologrammet skapas av en superposition mellan en ljusstråle som belyser objektet och en referensstråle. Normalt sett kräver det här koherent ljus, t.ex. från en laser. Men i det här fallet använder man ljuset från en  liten LED, som allstå inte är koherent. Tricket ligger i att när man bara avbildar väldigt små objekt kan objektet själv fungera som en koherent ljuskälla. Mobilkameran avbildar hologrammet, och med hjälp av den kan man återskapa bilden med hjälp av en dator. Fast, nu för tiden är ju alla mobiler utrustade med en hyfsat kraftfull processor, så bildbehandlingen kan göras i princip i realtid. Mycket av arbetet verkar ha legat i att kompensera för bland annat att mobilkameror är utrustade med ett Bayerfilter för att ta färgbilder, vilket stör när ljuskällan som i det här fallet är monokrom. Mikroskopets upplösning är beroende på vilken upplösning mobilens detektor har, men ligger runt 2µm.

Forskarna säger att deras mikroskop kan användas för exempelvis medicinsk analys i områden där det inte finns tillgång till labb. Via mobilen kan man ta bilder på t.ex. ett blodprov, och även skicka den direkt vidare till ett labb någon annanstans i världen. Visst, det är väl en nobel tanke. Själv tyckte jag istället - cooolt, när kommer den till Android. Perfekt leksak för oss lite nördiga.

* Lensfree microscopy on a cellphone, D. Tseng et al., Lab Chip, 2010, DOI: 10.1039/c003477k

Andra bloggar om vetenskap, mikroskop, forskning, mobilkamera.

"A great day to be a physicist"

Så var det då äntligen igång. Starten på LHC research programme, på CERN! Strax efter klockan 13.00 kolliderade två protonstrålar, med den högsta kollisionsenergin någonsin: 7 TeV. Alla domedagsprofetior till trots så tycks det som om att världen fortfarande existerar.

TeV=Teraelektronvolt. För att ge perspektiv så motsvarar rumstemperatur ungefär 0.026 elektronvolt, eller så kan man säga att 7TeV motsvarar ca 81000000000000000 grader. Ganska hyfsade energier med andra ord.

Ingen träningseffekt? Det kan vara genernas "fel"...

Tränar du men tycker att konditionen inte alls förbättras i den takt du tycker motsvarar tröttheten efter träningspassen? Kanske är det för att du är en av de personer vars genuppsättning gör att din syreupptagningsförmåga knappt påverkas alls av konditionsträning.

I februari publicerade tidskriften Journal of Applied Physiology en artikel som visar att det finns 11 olika genvarianter som är särskilt viktiga för förmågan att förbättra syreupptagningsförmågan.Detta kan vara förklaringen till att vissa människor är mer "lättränade" än andra.

Studien består av tre olika delstudier, som totalt omfattar 514 individer som under 6-20 veckor fått cykla för att förbättra sin kondition. Den genomsnittliga förbättringen var ungefär 15%, men det riktigt intressanta var att det visade sig att så många som var femte person visade en förbättring på 5% eller mindre. Detta resultat kombinerat med muskelprover före och efter studien gjorde det möjligt att finna hitta en stark korrelation mellan aktiviteten hos ca 30 olika gener och hur bra man svarar på konditionsträning. Viktigt att notera är att resultaten, enligt artikelförfattarna, kan användas på en bred population eftersom den fysiska aktiviteten hos deltagarna varierade stort inom studierna.

Artikeln, "Using molecular classification to predict gains in maximal aerobic capacity following endurance exercise training in humans", publicerades i Journal of Applied Physiology, (online) 4 feb 2010, och den finns, eventuellt, att ladda ner här.


*En annan (teoretisk) möjlighet är förstås att du inte tränar så hårt som du tror...

Vem blir doktorand?

Jag har läst en intressant analys från högskoleverket med statistik om vilka som påbörjar forskarutbildning. Den visar bl a att studenter med forskarutbildade föräldrar själva i betydligt högre grad än studenter som har föräldrar med lägre utbildning påbörjar forskarutbildning. Det är inte så överraskande slutsatser utan sådant jag redan visste men det är intressant att få exakta siffror på det.

Totalt är det 6% av studenterna med en grundutbildningsexamen som påbörjar forskarutbildning, medan andelen istället är 16% för studenterna som har föräldrar med forskarutbildning. Lägst övergång till forskarutbildning har kvinnor med föräldrar som har gymnasial utbildning eller lägre, där är det bara 3% av de med grundexamen som går vidare till forskarutbildning. En del av förklaringen är att föräldrarnas utbildningsnivå påverkar redan vilken grundutbildning man väljer. Bland de med föräldrar med forskarutbildning väljer större andel sådana grundutbildningar där det är vanligt att läsa forskarutbildning efteråt, t ex inom medicin och naturvetenskap. Men detta är inte hela förklaringen. Om man analyserar varje grundutbildningsexamen för sig så är det i de flesta fall fortfarande så att ju högre utbildning föräldrarna har, desto högre andel går vidare till forskarutbildning.

Som tänkbara orsaker till detta nämner de bl a att vilja nå lika långt som sina föräldrar, förebilder gör steget till forskarutbildning lättare, bättre information om vägen till forskarutbildning (särskilt viktigt om rekryteringsprocessen är otydlig).

För mig som inte har forskarutbildade föräldrar kan jag säga att förebilder var viktigast av ovan nämnda saker. Jag hade ju inga släktingar som förebilder i detta avseende men istället hade jag viktiga förebilder i doktorander på avdelningen där jag gjorde examensarbete samt vänner som påbörjat forskarutbildning strax innan mig. De gjorde att jag kunde se mig själv som doktorand. När andra som jag kan identifiera mig med lyckas med saker kan jag känna att kan de så kan nog jag också. För mig är förebilder fortfarande viktiga men för att fungera som förebild är identifikationen viktig. Jag har märkt att kvinnliga förebilder är mycket viktiga för mig, men tyvärr blir det ju färre och färre kvinnor som har kommit längre än en själv ju längre man kommer i forskarkarriären.

Coca Cola-driven mobil

Satte morgonkaffet i halsen nyligen när jag för ett ögonblick trodde att vi blivit fet-scoopade av Nokia. Massor av artiklar dök upp på nätet på temat: Nokiamobil driven av Coca Cola. Vi jobbar just på biobränsleceller som skall kunna drivas av t.ex. socker som i Cola och andra söta drycker. Det vore inte så skoj om det redan fanns en fungerande protoyp för vad vi jobbar på, då skull vi kunna packa ihop och söka annat jobb.

Men även utan att veta något bränsleceller eller enzym kan man snabbt ana att något inte står rätt till. Alla artiklar använder samma bilder. Alla artiklar tar upp Coca-Cola trots att vilken sockerhaltig vätska som helst skulle fungera. Det visar sig snart att det hela är ett pr-stunt av den unga kinesiska designern Daizi Zheng. Först sökte jag - insnöad som jag är, på hennes namn i Google Scholar, jag kände inte igen namnet som någon biobränslecellforskare, men hon är alltså designer.

Men vad är det som gör att en sådan telefon inte finns på marknaden ännu? Principen för hur den skulle kunna fungera visas pedagogiskt i en bild från Daily Mail (nedan).

I en biobränslecell används enzym, istället för t.ex. platina som är vanligast i normala bränsleceller,  för oxidera sockret i "bränslet" vilket ger ett överskott av elektroner, ström. Ett annat enzym används för att reducera syre till vatten. Det räcker nämligen inte med att skapa elektroner, man måste även göra sig av med dem för att kunna utnyttja energin. Enzymen har många fördelar, som lägre aktiveringspänning och att det är förnybara, till skillnad från platina. Men det är även med enzymen man har bekymmer. De är inte särskilt stabila - om de kan fungera i ett par dagar till någon vecka har man ett bra enzym. Det är också svårt att få kontakt mellan dem och elektroderna - vilket är det jag forskar om. Så än så länge är det en snygg design av en produkt som inte fungerar.

För övrigt verkar vare sig Zheng eller Daily Mail veta så mycket om biobränsleceller. Mail har tagit sin bild från en modell av en normal bränslecell, där katalysatorn, platina, kan katalysera både bränsleoxidationen och syrereduktionen. Det gör det nödvändigt att separera anod- och katodhalvorna med ett membran, som i bilden. Enzym är mer specifika; de katalyserar bara en viss, eller ett litet fåtal, reaktioner. Man behöver alltså inte två separata avdelningar. En stor fördel med biobränsleceller. Zheng menar att de enda restprodukterna är vatten och syre. Det är inte sant. Det beror förvisso precis vilka enzym och reaktioner som används, men typiskt så oxideras druvsocker, glukos, till glukonolakton och syre konsumeras för att reduceras till vatten. Restprodukterna är alltså glukonolakton och vatten och troligen en del väteperoxid.

För övrigt funderar jag också, givet att alla andra problem var lösta, över det lämpliga i att använda Coca Cola som bränsle. Cola innehåller ju massor av annat gegg än bara vatten och socker, som är de eftersökta ämnena, som färgämnen, koffein och annat som kan inverka på funktionen hos bränslecellen. Sedan innehåller den en blandning av de två sockerarterna glukos och fruktos. Beroende på enzym skulle bara en av dem vara användbar åt gången om man inte konstruerar en mer avancerad cell med flera enzym. Fast den allvarligaste invändningen mot att använda Cola är att det är för surt. Coca Cola, och liknande drycker, innehåller citron- och fosforsyra för att reglera surhetsgraden som ligger så lågt som ett pH på 2,5. I så sura miljöer fungerar de flesta enzym för sockerkatalys väldigt dåligt. Det skulle effektivt ta död på telefonen att hälla Cola i bränsletanken.

Andra bloggar om: bränsleceller, biobränsle, grön energi, Nokia, Coca Cola, Daizi Zheng, vetenskap, forskning, design. Intressant?