Lysstråler over håndflade

Forskerne tæmmer lyset

Bølge og partikel på én gang og både synligt og usynligt – lys er fuldt af gådefulde egenskaber, og dem udnytter forskerne nu til at revolutionere så forskellige områder som skærmteknologi, energilagring og kræftbehandling.

Bølge og partikel på én gang og både synligt og usynligt – lys er fuldt af gådefulde egenskaber, og dem udnytter forskerne nu til at revolutionere så forskellige områder som skærmteknologi, energilagring og kræftbehandling.

Shutterstock

Belysning

Hvidt laserlys bliver den nye elektriske pære

Lasere er præcisere og mere energibesparende end de LED’er, lysdioder, der i dag bruges i både elpærer og TV-skærme.

Hidtil har det imidlertid kun været muligt at skabe farvet laserlys, men nu er det lykkedes forskere ved Arizona State University at fremstille et krystal, der giver hvidt laserlys.

Krystallet udsender tre forskellige farver – rød, grøn og blå – men ved hjælp af spejle kan de blandes, så slutresultatet bliver hvidt lys.

Det nye laserkrystal måler kun en femtedel af bredden på et menneskehår og er skabt ved at dyrke såkaldte nanoark – lag, der består af legeringer af stofferne zinksulfid, kadmiumsulfid og kadmiumselenid.

Nanoteknologien, der kaldes MSHN (Multi-Segment Heterostructure Nanosheets), viser op til 70 pct. flere farver end LED’er med et meget lavere strømforbrug.

Dermed kan de både blive afløseren for LED-lyspærer og give skærme til computere og smart­phones større kontrast og dybere farvemætning.

kadmiumselenid og zinksulfidpulver
© Claus lunau

Pulvere placeres i et opvarmet rør

Et lukket rør varmes op, sådan at temperaturen i røret varierer. Ved 840 °C placeres en beholder med pulver af kadmiumselenid (CdSe), mens zinksulfidpulver (ZnS) placeres ved 980 °C.

Jerstang med silicium danner krystal
© Claus lunau

Jernstang føres frem og tilbage

En jernstang med silicium føres frem og tilbage i røret. Grundstofferne Zn, Cd, S og Se binder sig til silicium ved hver sin temperatur og danner derved et krystal med en lagvis opbygning.

Farver bliver til hvidt lys
© Claus lunau

Rød, grøn og blå bliver til hvid

Det færdige krystal måler en femtedel af bredden på et menneskehår. Når det belyses, udsender lagene hver sin bølgelængde – henholdsvis rødt, grønt eller blåt lys – der kan kombineres til hvidt laserlys.

Hvid laser vil også gøre fremtidens trådløse internet, li-fi, langt hurtigere. Li-fi bruger lyspulser fra belysningen i rummet i stedet for radiobølger.

Li-fi med LED’er kan blive 10 gange hurtigere end wi-fi, og ved at skifte fra LED’er til hvid laser øges hastigheden igen 10-100 gange.

Kvantepunkter giver klarere farver

Kvantepunkter, “quantum dots”, er nanopartikler af et halvledermateriale, der udsender lys i forskellige farver, afhængigt af hvor store de er.

Et kvantepunkt med en diameter på to milliontedele af en millimeter (nanometer) lyser fx blåt, når det bliver belyst. Kvantepunkterne kan give os TV- og smartphoneskærme med bedre farver. Det skyldes, at deres såkaldte spektrallinjer er smallere.

De tre primære farver rød, grøn og blå kan med andre ord skelnes tydeligere fra hinanden, og det gør det muligt at gengive flere nuancer.

kvantepunkter i forskellige farver

©

Punktets størrelse afgør farven

Størrelsen på et kvantepunkt afgør, hvilken farve det udsender. Med en diameter på fx to nanometer lyser punktet blåt, mens syv nanometer giver rødt lys.

Kvantepunkter er samtidig strømbesparende. I en almindelig LED-skærm kommer lyset normalt fra et bagpanel, der sender blåt lys gennem et gult lag fosfor.

Ved at erstatte fosfor med kvantepunkter, der udsender op til 99,6 pct. af lyset igen, går mindre af den oprindelige energi tabt. Det gør skærmen klarere, og samtidig bruger den mindre strøm.

Sundhed

mand får lysterapi

Lysterapi aktiverer kræftmedicin med en lampe. Nu kan lægerne også lyse inde i selve cellen.

© RapidEye/Getty Images

Lys går målrettet efter kræften

Brystkræft spreder sig ofte til knoglemarven, hvor det er svært at bekæmpe kræftcellerne uden samtidig at dræbe livsvigtige stamceller.

Nu har forskere fra Washington University i USA fundet en metode til at ramme kræften målrettet ved hjælp af lys.

Princippet er at bruge en kræftmedicin, der er harmløs, indtil den bliver udsat for lys. Den såkaldte lysterapi bruges allerede i dag til at behandle svulster tæt på huden.

Her aktiveres medicinen ved at belyse patienten med blåt eller rødt lys, men med den nyudviklede metode belyses medicinen inde i selve cellen.

Kapsler fører medicin ind i kræftceller
© claus lunau

Kapsler fører medicin ind i kræftcellerne

Nanokapsler med lysfølsom kræftmedicin føres ind i knoglemarven. Her binder kapslerne sig til et molekyle på kræftcellerne og overfører medicinen til dem.

Kræftceller sluger radioaktive stoffer
© claus lunau

Sultne kræftceller sluger radioaktivt stof

Særlige radioaktive stoffer, FDG, indføres i knoglemarven. Fordi kræftceller har et højere stofskifte end almindelige celler, optager de langt mere af det radioaktive stof.

Blåt lys aktiverer medicin i celler
© claus lunau

Blåt lys aktiverer medicinen inde i cellen

De radioaktive stoffer udsender ultraviolet og blåt lys, der aktiverer den lysfølsomme medicin i kræftcellen og slår den ihjel. Knoglemarvens stamceller påvirkes ikke.

Først føres en lysaktiveret kemoterapimedicin ind i knoglemarven med nanokapsler.

På overfladen af kapslerne sidder et stof, LLP2A, som binder sig til molekylet VLA-4 på kræftcellerne.

Bagefter sprøjtes det radioaktive stof FDG, fluorodeoxyglucose, ind i knoglemarven og optages af såkaldte GLUT-proteiner på kræftcellerne. FDG udsender lys, der aktiverer medicinen inde i cellen.

Da stamcellerne i knoglemarven ikke har samme kombination af VLA-4-molekylet og GLUT-proteinet som kræftceller, tager de ikke skade af behandlingen.

Laserkanon skyder 80 malariamyg i sekundet

Et nyt våben er på vej ind i kampen mod malariamyg og andre insekter, der overfører sygdomme.

Photonic Fence er en laserkanon, der bruger en kombination af videokamera, LED’er og laser til at genkende og dræbe insekter indendørs.

Laserkanon der skal dræbe malariamyg

© Emma R. Mullen et al./Optical Society of America

Laserkanonen identificerer malariamyg på vingeslaget, inden den skyder dem ned.

Opfindelsen er endnu ikke færdigudviklet, men består grundlæggende af to dele: en identifikationsdel, der udvælger de rigtige insekter, og en sporingsdel, der registrerer, når insekterne bevæger sig inden for skudvidde.

Sporingsdelen består af et videokamera, infrarøde lysdioder og en særlig film, der reflekterer det infrarøde lys fra en væg.

Kameraet er koblet til en computer med billedanalyseringssoftware, der kan genkende myggens silhuet, når det reflekterede lys rammer den bagfra.

Sporingsmodulet registrerer løbende insektets position, og ud fra koordinaterne sendes en grøn laserstråle afsted, som belyser myggen, mens en fotodiode registrerer udsving i intensiteten af det lys, der reflekteres fra myggens vingeslag.

Ud fra frekvensen af vingeslagene kan insektarten bestemmes, og hvis det er en malariamyg, affyres den dræbende laser.

Prototypen kan uskadeliggøre 80 myg i sekundet, men målet er at nå op på et langt højere tal.

Mikroskop fjerner skygger

Lysbølger, der rekonstruerer sig selv, efter at de er stødt ind i en forhindring, fx væv i kroppen – det er muligt med en ny type mikroskop, der gengiver kroppens indre langt skarpere.

Når lyset i et optisk mikroskop rammer et uigennemsigtigt objekt, opstår der et skyggemønster bagved.

Fænomenet kaldes diffraktion og skyldes, at lysbølgerne afbøjes af objektets kanter og spreder sig i alle retninger.

sløret billede af malariaparasitten

© Shutterstock

Lyset i et optisk mikroskop kaster skygger, der giver sløring som på dette nærbillede af malariaparasitten. En ny type linse kan eliminere skyggerne.

Men forskere fra University of Freiburg og firmaet Leica Microsystems i Tyskland arbejder nu på at få lyset til at genopstå på den modsatte side af objektet.

Ved at bruge en kegleformet linse kan forskerne skabe såkaldt Bessel-lignende lysstråler, der heler sig selv efter at have mødt en forhindring.

Det betyder, at skyggemønsteret undgås, så forskerne får klare mikroskopbilleder, hvor ingen områder bliver skjult af striber og sløring.

Energi

Forskere lagrer lys som brændstof

Energien fra lys kan lagres som brændstof, viste de to forskere i forsøget, der efterligner planters fotosyntese.

© Fred Zwicky

Forskere lagrer solenergien med kunstig fotosyntese

Lagring af energien fra sol og vind er én af de helt store udfordringer ved at omstille elforsyningen til vedvarende energi.

Nu har forskere fra University of Illinois fundet en effektiv metode til at lagre solenergi.

Metoden binder lysets energi i brændstof som fx propan med hjælp fra CO2 og guldnanopartikler og efterligner derved planternes fotosyntese, hvor energien i lyset omdannes til glukose.

Processen trækker CO2 ud af atmosfæren, og forskere arbejder nu på at udvikle nye typer brændselsceller, der omdanner propan til elektricitet uden at udlede CO2.

På den måde vil den kunstige fotosyntese bidrage til at mindske global opvarmning.

væske belyses med laser
© Claus lunau

Væske belyses med laser

En væske med guldnanopartikler, CO2 og vandmolekyler belyses i forsøget med en laser. Den udsender grønt lys ved en bølgelængde på 532 nm – samme del af det synlige lys, som planter udnytter.

elektron starer reaktion
© Claus lunau

Frigivet elektron starter reaktion

Guldnanopartiklerne absorberer lyset og frigiver til gengæld elektroner. De får CO2 og vand (H2O) til at reagere med hinanden på samme måde som, når planter omdanner solenergien til glukose.

vand og kuldioxid bliver til brændstof
© Claus lunau

Vand og CO2 bliver til brændstof

Reaktionerne mellem CO2 og H2O danner lange kulbrinteforbindelser som fx brændstoffet propan, hvor energien fra lyset er lagret kemisk, og når som helst kan omdannes til strøm.

Laserlys sender trådløs strøm til droner

En drone eller et fly, som kan holde sig på vingerne i dage- eller ugevis og udføre målinger eller overvågning – det er visionen bag en ny teknologi, der vil gøre det muligt at overføre strøm trådløst ved at sende laserlys mod fartøjet fra et netværk af master på jorden.

Laserlyset udsendes i en koncentreret kegle, der svarer til størrelsen på fx en drones sol-cellepanel. Når laserlyset rammer solcellerne, omdannes fotonernes energi til elektrisk strøm i solcellematerialet.

Strømmen fra solcellerne lagres nu i et batteri ombord på flyet, som forsyner flyets elmotor med elektricitet. Dermed bliver flyet ladet op, mens det er i luften.

Lasermasten har en indbygget tracker, der sporer fartøjets position, og strømmen til at drive netværket kan hentes fra et solcelleanlæg.

Laser sender strøm til drone

©

Laserlys sender trådløs strøm

Strøm kan produceres af solceller på jorden og overføres trådløst til droner via laser.

Firmaet bag teknologien, PowerLight Technologies, har demonstreret, at en drone med normal batterikapacitet til fem minutters flyvning kunne holdes i luften i mere end 12 timer med trådløs opladning.

På længere sigt kan teknologien måske bruges til at sende strøm ud til satellitter i lavt jordkredsløb.