Дальность захвата образцов классическим оптическим пинцетом ограничена микрометрами. Учёные из Массачусетского технологического института смогли на порядки увеличить это значение, что навсегда изменит работу с биоматериалами. Более того, устройство с лучом захвата устроено на чипе, а это путь к массовому и недорогому производству портативных биолабораторий.

Источник изображения: MIT

«Эта работа открывает новые возможности для оптических пинцетов на основе чипов, позволяя захватывать и выделять клетки на гораздо больших расстояниях, чем демонстрировалось ранее. Интересно подумать о различных приложениях, которые могут быть реализованы с помощью этой технологии», — сказала Елена Нотарос (Jelena Notaros), профессор MIT в области электротехники и компьютерных наук (EECS).

Благодаря новой разработке дальность действия «притягивающего луча» возросла до 5 мм. Кажется, какая малость? Но по сравнению с микрометрами — это колоссальный прогресс и улучшение. Раньше для манипулирования биоматериалами — фрагментами ДНК или клетками (на большие объекты оптические пинцеты не рассчитаны) — образцы требовалось выкладывать на предметные стёкла, что нарушало стерильность и грозило риском загрязнения. Устройство инженеров MIT бьёт так далеко, что способно работать с образцами не вынимая их из стерильных контейнеров. Надо ли говорить, что это ускорит работу и исследования? Ведь больше не нужно тратить время на мероприятия по обеспечению стерильности.

Добиться настолько выдающегося результата исследователи смогли, когда представили оптический излучатель на чипе в виде фазированной оптической решётки. Это обеспечило точную фокусировку и усиление луча на большей дальности, чем в случае намного более громоздких и дорогих традиционных лазерных оптических пинцетов.

«С помощью кремниевой фотоники мы можем взять эту большую, типично лабораторную систему [оптического пинцета] и интегрировать её в чип. Это отличное решение для биологов, поскольку оно предоставляет им функции оптического улавливания и выщипывания [биоматериалов] без дополнительных затрат на сложную установку объёмной оптики», — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале Nature Communications.

Будущее аккумуляторов за соединениями марганца, уверены учёные из Массачусетского технологического института, что сделает их дешевле и ёмче. Чтобы доказать это, исследователи создали катодный материал с высоким содержанием этого минерала, который в 30 раз дешевле кобальта. Но дело не только в цене. Потенциально катоды с высоким содержанием марганца обеспечат более высокую плотность запасаемой энергии и ряд других преимуществ.

Источник изображения: MIT

В своей работе над более совершенными электродами аккумуляторов исследователи изучали так называемые материалы с разупорядоченной структурой каменной соли (disordered rock salt, DRX). Это не та каменная соль, которая называется ещё поваренной. Как правило, DRX — это оксиды, например, оксид лития, но не обязательно. Учёные уже подтвердили необычно высокий потенциал DRX-материалов для изготовления анодов и катодов аккумуляторов. Но у них обнаружился существенный недостаток — низкий уровень циклирования. Они быстро истощались — приходили в негодность как накопители и проводники ионов.

«В катодных материалах обычно существует компромисс между плотностью энергии и стабильностью циклирования ... и в этой работе мы стремимся выйти за рамки, разработав новую химию катодов, — поясняют изобретатели. — (Представленное) семейство материалов обладает высокой плотностью энергии и хорошей стабильностью при циклировании, поскольку в нём используются два основных типа катодных материалов — каменная соль и полианионный оливин, поэтому оно обладает преимуществами обоих».

Иными словами, учёные подобрали такое соотношение DRX и полианионов (это большой спектр соединений с избытком отрицательно заряженных групп), при котором сохранялась бы высокая плотность энергии и возможность множественного перезаряда. Некоторой проблемой стала высокая подвижность кислорода в катоде при заряде аккумуляторов высоким напряжением — ещё одна изюминка новых аккумуляторов, однако она была решена введением связывающего кислород вещества — фосфора.

В идеальном случае электроды на основе DRX-материалов могут обеспечить до 350 мА·ч/г, тогда как традиционные катоды обеспечивают плотность хранения энергии не выше 200 мА·ч/г. Добавка полианионов обеспечит им стабильность множества циклов заряда и разряда, а использование марганца вместо никеля и, особенно, кобальта, сделает производство аккумуляторов дешевле. Но всё это в будущем. Еще предстоит много исследовательской работы, чтобы коммерческое производство электродов из DRX-материалов стало реальностью.