Lysstråler over håndflade

Forskare tämjer ljuset

Våg och partikel samtidigt och både synligt och osynligt – ljus har många gåtfulla egenskaper och dessa utnyttjar forskare nu för att revolutionera så vitt skilda saker som skärmteknik, energilagring och cancerbehandling.

Våg och partikel samtidigt och både synligt och osynligt – ljus har många gåtfulla egenskaper och dessa utnyttjar forskare nu för att revolutionera så vitt skilda saker som skärmteknik, energilagring och cancerbehandling.

Shutterstock

Belysning

Vitt laserljus blir den nya elektriska lampan

Laser är mer exakt och energibesparande än LED, lysdioder, som i dag används i både lampor och tv-skärmar.

Hittills har det dock bara varit möjligt att skapa färgat laserljus, men nu har forskare på Arizona State University USA, lyckats framställa en kristall som ger vitt laserljus.

Kristallen avger tre olika färger – rött, grönt och blått – men med hjälp av speglar kan de blandas så att slutresultatet blir vitt ljus.

Den nya laserkristallen är bara en femtedel så tjock som en människas hårstrå och har skapats med så kallade nanoark – lager som består av legeringar av ämnena zinksulfid, kadmiumsulfid och kadmiumselenid.

Nano-tekniken som kallas MSHN (Multi-Segment Heterostructure Nanosheets) visar upp till 70 procent fler färger än LED med en mycket lägre strömförbrukning.

Därmed kan de både bli avlösare för LED-lampor och ge dator- och smart­mobil-skärmar större kontrast och bättre färgmättnad.

kadmiumselenid og zinksulfidpulver
© Claus lunau

Pulver placeras i ett uppvärmt rör

Ett slutet rör värms så att tem­peraturen i röret varierar. Vid 840 °C placeras en behållare med pulver av kadmiumselenid (CdSe) medan ett zink-sulfidpulver (ZnS) placeras vid 980 °C.

Jerstang med silicium danner krystal
© Claus lunau

Stång förs fram och tillbaka

En järnstång med kisel förs fram och tillbaka i röret. Grundämnena zink (Zn), kadmium (Cd), svavel (S) och selen (Se) binder sig till kisel vid olika temperaturer och bildar därmed en skiktad kristall.

Farver bliver til hvidt lys
© Claus lunau

Rött, grönt och blått blir vitt

Den färdiga kristallen är bara en femtedel så tjock som en människas hårstrå. När den belyses avger de olika skikten var sin våglängd – rött, grönt respektive blått ljus – som kan kombineras till vitt laserljus.

Vit laser gör också framtidens trådlösa internet, li-fi, betydligt snabbare. Li-fi använder ljuspulser i stället för radiovågor.

Li-fi med LED kan bli tio gånger snabbare än wi-fi, medan hastigheten blir ytterligare 10–100 gånger snabbare med vit laser.

Kvantpunkter ger klarare färger

En kvantpunkt, med en diameter på två miljarddelar av en millimeter (nano­meter) lyser till exempel blått när den blir belyst. Kvantpunkterna kan ge oss tv- och smartmobil-skärmar med bättre färger.

Det beror på att deras så kallade spektrallinjer är smalare (topparna på grafen nedan).

De tre primära färgerna röd, grön och blå kan med andra ord åtskiljas tydligare från varandra, vilket gör det möjligt att återge nyanser bättre.

kvantepunkter i forskellige farver
©

Punkten storlek avgör färgen

Storleken på en kvantpunkt avgör vilken färger den sänder ut. Med en diameter på exempelvis två nanometer lyser punkten blått, medan nanometer ger rött ljus.

Kvantpunkter sparar samtidigt ström. I en vanlig LED-skärm kommer ljuset vanligtvis från en bakpanel som avger blått ljus genom ett gult lager fosfor.

Genom att ersätta fosfor med kvant-punkter som återger upp till 99,6 procent av ljuset går mindre av den ursprungliga energin förlorad. Det gör skärmen både klarare och mer energisnål.

Hälse

mand får lysterapi

Ljusterapi aktiverar cancermedicin med hjälp av en lampa. Nu kan läkarna även lysa in i själva cellen.

© RapidEye/Getty Images

Ljus attackerar cancer

Bröstcancer sprider sig ofta till benmärgen där det är svårt att bekämpa cancercellerna utan att samtidigt döda livsviktiga stamceller.

Nu har forskare fån Washington University i USA upptäckt en metod för att fokusera enbart på cancern med hjälp av ljus.

Principen bygger på en cancermedicin som är ofarlig tills den utsätts för ljus. Den så kallade ljusterapin används redan i dag för att behandla tumörer nära huden.

Här aktiveras medicinen genom att patienten belyses med blått eller rött ljus, men med den nyutvecklade metoden belyses medicinen inne i själva cellen.

Kapsler fører medicin ind i kræftceller
© claus lunau

Kapslar för in medicin i cancercellerna

Nanokapslar med ljuskänslig cancermedicin förs in i benmärgen. Här binder kapslarna sig till en molekyl på cancer­cellerna och överför medicinen till dem.

Kræftceller sluger radioaktive stoffer
© claus lunau

Glupska cancerceller slukar radioaktivt ämne

Ett särskilt radioaktivt ämne, FDG, förs in i benmärgen. Eftersom cancerceller har högre ämnesomsättning än andra celler tar de upp mer av det radioaktiva ämnet.

Blåt lys aktiverer medicin i celler
© claus lunau

Blått ljus aktiverar medicinen inne i cellen

Det radioaktiva ämnet avger ultraviolett och blått ljus som aktiverar den ljuskänsliga medicinen i cancercellen och dödar den. Ben-märgens stamceller påverkas inte.

Först förs en ljusaktiverad kemoterapi­medicin in i benmärgen med hjälp av nano-kapslar. På ytan av kapslarna sitter ett ämne, LLP2A, som binder sig till molekylen VLA-4 på cancercellerna.

Därefter sprutas det radioaktiva ämnet FDG, fludeoxyglukos, in i benmärgen där det tas upp av så kallade GLUT-proteiner på cancercellerna. FDG avger ljus som aktiverar medicinen inne i cellen.

Stamcellerna i benmärgen skadas inte av behandlingen eftersom de inte har samma kombination av VLA-4-molekylen och GLUT-­prote­inet som cancerceller.

Laserkanon skjuter 80 malariamyggor per sekund

Ett nytt vapen är på väg i kampen mot malariamyggor och andra insekter som sprider sjukdomar.

Photonic Fence är en laser­kanon med en kombination av videokamera, LED och laser som identifierar och dödar insekter inomhus.

Laserkanon der skal dræbe malariamyg
© Emma R. Mullen et al./Optical Society of America

Laserkanonen identifierar malariamyggor med vingslagen innan den skjuter ned dem.

Uppfinningen är inte helt färdigutvecklad men består i grunden av två delar: En identifikationsdel som väljer rätt insekter och en spårningsdel som registrerar när insekterna kommer inom skotthåll.

Spårnings­delen består av en video­kamera, infraröda ljusdioder och en särskild film som reflekterar det infraröda ljuset från en vägg.

Kameran är kopplad till en dator med bildanalysprogramvara som kan identifiera myggans konturer när det reflekterade ljuset träffar den bakifrån.

Spårnings­modulen registrerar kontinuerligt insektens position och med hjälp av dess koordinater avfyras en grön laserstråle mot myggan medan en fotodiod registrerar variation i intensiteten av det ljus som reflekteras från myggans vingslag.

Baserat på vingslagens frekvens kan insekten artbestämmas, och i de fall det rör sig om en malaria­mygga avfyras det dödande laserskottet.

Proto­typen kan oskadliggöra 80 myggor per sekund, men målet är att kunna skjuta betydligt fler.

Mikroskop tar bort skuggor

Ljusvågor som rekonstruerar sig själva efter att ha stött på ett hinder – exempelvis vävnad i kroppen – blir möjliga med en ny typ av mikroskop som återger kroppens inre betydligt skarpare.

Det uppstår ett skuggmönster när ljuset i ett optiskt mikroskop träffar ett ogenomskinligt objekt.

Fenomenet kallas diffraktion och beror på att ljusvågorna böjs av objektets kanter och sprider sig åt alla håll.

sløret billede af malariaparasitten
© Shutterstock

Ljuset i ett optiskt mikroskop kastar skuggor som beslöjar denna närbild av malariaparasiten. En ny sorts lins kan eliminera skuggorna.

Nu arbetar forskare på University of Freiburg och företaget Leica Microsystems i Tyskland på att få ljuset att återuppstå på andra sidan objektet

Genom att använda en konformig lins kan forskarna skapa så kallade Bessel-liknande ljusstrålar som återställs när de har stött på ett hinder.

Det innebär att skuggmönstret undviks och att forskarna får klara mikroskopbilder där inga delar döljs av streck eller oskärpa.

Energi

Forskere lagrer lys som brændstof

Ljusets energi kan lagras som bränsle. Det visade de två forskarna i ett experiment som härmar fotosyntesen.

© Fred Zwicky

Forskare lagrar solenergin med artificiell fotosyntes

Lagring av sol- och vindenergi är en av de största utmaningarna i att ställa om vår elförsörjning till hållbar energi.

Nu har forskare vid University of Illinois USA, hittat en effektiv metod för att lagra solenergi.

Metoden binder ljusets energi i bränsle som exempelvis propan med hjälp av koldioxid och guldnano-partiklar, och härmar därigenom växternas foto-syntes där ljusets energi omvandlas till glukos.

Processen fångar upp koldioxid ur atmosfären och forskare arbetar nu på att utveckla nya typer av bränsleceller som om-vandlar propan till elektricitet utan att släppa ut koldioxid.

På så sätt kan artificiell fotosyntes bidra till att minska den globala uppvärmningen.

væske belyses med laser
© Claus lunau

Vätska belyses med laser

En vätska med guldnanopartiklar, koldioxid och vatten belyses med en laser. Den avger grönt ljus med våglängden 532 nm – samma del av det synliga ljus som växter utnyttjar.

elektron starer reaktion
© Claus lunau

Frigjord elektron startar reaktion

Guldnanopartiklarna absorberar ljuset och frigör elek­troner. De får koldioxid och vatten att reagera med varandra på samma sätt som när växter omvandlar solens energi till glukos.

vand og kuldioxid bliver til brændstof
© Claus lunau

Vatten och koldioxid blir bränsle

Reaktionerna mellan koldioxid och vatten bildar långa kolvätekedjor, som bränslet propan, där ljusets energi lagras kemiskt och sedan kan omvandlas till ström.

Laserljus skickar trådlös ström till drönare

En drönare eller ett flygplan som kan hålla sig i luften i dagar eller veckor och göra mätningar eller övervaka – det är visionen bakom en ny teknik som ska göra det möjligt att överföra ström trådlöst genom att projicera laserljus mot farkosten från ett nätverk av master på jorden.

Laserstrålen motsvarar storleken på ex-empelvis en drönares solcells­panel. När laserns ljus träffar solcellerna omvandlas fotonernas energi till elektrisk ström i solcellsmaterialet.

Strömmen från solcellerna lagras nu i ett batteri ombord på farkosten, vilket i sin tur ger el till en elmotor. Därmed kan batteriet laddas i luften.

Laser­masten har en inbyggd målsökare som spårar farkostens position, och strömmen för att driva nätverket kan hämtas från solkraft.

Laser sender strøm til drone
©

Laserlys sender trådløs strøm

Ström kan produceras med sol­celler på jorden och överföras trådlöst till drönare via laser.

Företaget bakom tekniken, PowerLight Technologies, har demonstrerat att en drönare med normal batterikapacitet för fem minuters flygning kunde hålla sig i luften i över tolv timmar med hjälp av trådlös laddning.

På längre sikt kan tekniken kanske användas för att skicka ström till satelliter i låg bana runt jorden.