Áp dụng khoa học tiên tiến để giải quyết những thách thức thế giới thực tại
Người đăng tin: Test Test Ngày đăng tin: 06/02/2015 Lượt xem: 48

Thế giới trong tình trạng báo động cao đối với các cuộc tấn công khủng bố tiềm tàng và an ninh là ưu tiên hàng đầu. Phát hiện chất nổ và các mối nguy hiểm sinh hóa và nghiên cứu điều tra bằng cách nào thời tiết không gian ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng điện tử của chúng ta là ví dụ về hàng loạt các cách thức mà nghiên cứu sử dụng tại Trung tâm thiết bị laser (CLF) và ISIS có thể giúp cho chúng ta giữ an toàn.

1. An ninh

Thế giới trong tình trạng báo động cao đối với các cuộc tấn công khủng bố tiềm tàng và an ninh là ưu tiên hàng đầu. Phát hiện chất nổ và các mối nguy hiểm sinh hóa và nghiên cứu điều tra bằng cách nào thời tiết không gian ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng điện tử của chúng ta là ví dụ về hàng loạt các cách thức mà nghiên cứu sử dụng tại Trung tâm thiết bị laser (CLF) và ISIS có thể giúp cho chúng ta giữ an toàn.

CLF là gì? Trung tâm thiết bị laser (CLF), có trụ sở tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton, là một trong những cơ sở laser hàng đầu thế giới, với một loạt các ứng dụng. Nó có một dải các tia laser với mục đích sử dụng khác nhau. Chúng ta có thể sử dụng nó để tăng tốc các hạt hạ nguyên tử đến năng lượng cao, thăm dò các phản ứng hóa học và nghiên cứu các quá trình hóa sinh và lý sinh. CLF làm việc với khoa học tiên tiến, và liên tục tìm kiếm những cách thức mới để giải quyết các vấn đề chúng ta phải đối mặt trong cuộc sống hàng ngày.

ISIS là gì? Với 37 dụng cụ tối ưu cho một loạt các ứng dụng, cơ sở nghiên cứu đa ngành - ISIS - cung cấp những giải pháp có thể cho một số thách thức lớn nhất đối với nhân loại. Các neutron được tạo ra bởi ISIS được sử dụng để cung cấp thông tin về cấu trúc và trạng thái nguyên tử, chìa khóa để hiểu tại sao các vật liệu có những tính chất mà chúng có, và làm thế nào chúng có thể được cải thiện.

Cải thiện các máy quét sân bay: Nghiên cứu khoa học của CLF đã dẫn đến sự xuất hiện của các ứng dụng an ninh mới mang lại lợi ích xã hội trên toàn cầu. Công ty spin-out của chúng tôi, Cobalt Light Systems, đã phát triển thiết bị phân tích không xâm lấn của vật liệu. Dựa trên kỹ thuật phổ laser đã phát triển và cấp bằng sáng chế ở CLF, công nghệ mới này có rất nhiều ứng dụng - đặc biệt là trong lĩnh vực an ninh. Bằng cách đo nhanh chóng và chính xác thành phần hóa học của một chất mà không cần chạm vào nó, chất nổ lỏng có thể được phát hiện một cách nhanh chóng qua bao bì mờ đục. Điều này có thể chấm dứt lệnh cấm các chất lỏng trong hành lý xách tay trên các chuyến bay. Cobalt Light Systems Limited đã thông báo họ đã giành được hợp đồng cung cấp hệ thống dò tìm chất nổ lỏng (LEDS) cho tất cả năm sân bay Heathrow, và Glasgow, Aberdeen và Southampton. Laser Vulcan và Gemini của CLF cũng đang được sử dụng để phát triển các nguồn nhỏ gọn, linh hoạt và có thể điều chỉnh năng lượng cao tia X và tia gamma. Các vụ nổ ngắn của bức xạ được tạo ra bằng cách tập trung laser siêu mạnh vào một mục tiêu nhỏ có thể, trong tương lai, được sử dụng để quét các côngtennơ lớn, di động tại các cảng nước Anh.

Bảo vệ từ thời tiết không gian khắc nghiệt: Các nhà khoa học của Hội đồng thiết bị khoa học và công nghệ (STFC) đang dẫn đầu nghiên cứu để hiểu và giảm thiểu tác động của thời tiết không gian có thể có đến cơ sở hạ tầng nước Anh. Chúng ta liên tục bị tấn công bởi trận mưa các hạt hạ nguyên tử từ không gian, cường độ của nó bị ảnh hưởng bởi thời tiết không gian khi sự phun trào của mặt trời. Hầu hết các hạt vượt qua an toàn vào trái đất mà chúng ta không nhận thấy, nhưng sự phụ thuộc ngày càng tăng của chúng ta vào các thiết bị vi điện tử làm cho nó là nguyên nhân quan tâm. Trong biến cố đơn giản, các hạt hạ nguyên tử tấn công điện tử và làm cho chúng hoạt động sai lệch. Thách thức là phải hiểu làm thế nào các chip silicon đáp ứng lại sự bắn phá neutron, đó là bước đầu tiên trong việc xác định hành động giảm thiểu nào cần phải được thực hiện. Chúng tôi đang xây dựng một công cụ chuyên dụng, CHIPIR, để thử nghiệm các tác dụng của neutron trên vi điện tử, cần được đưa vào sử dụng vào đầu năm tới. Một nhóm từ Đại học Vanderbilt đã đang sử dụng thiết bị tại ISIS để điều tra xem liệu các hạt kỳ lạ này cũng có thể gây ra vấn đề, và Mạng lưới Nghiên cứu Thời tiết Không gian (SEREN) đang nghiên cứu khoa học và ứng dụng cùng nhau từ trên khắp nước Anh để xây dựng một trung tâm thời tiết không gian ảo Vương quốc Anh. Nó sẽ được xem xét các tác động về: lưới điện, hàng không, hàng hải vệ tinh, truyền thông, và theo dõi và điều hướng tàu không gian.

2. Chăm sóc sức khỏe

Laser có vai trò rộng lớn trong chăm sóc sức khỏe, từ nghiên cứu y sinh cơ bản điều tra các quá trình liên quan về sức khỏe và bệnh tật, đến sử dụng laser cho chẩn đoán và điều trị bệnh. Công việc tại ISIS đang giúp đỡ mọi người hít thở dễ dàng hơn, cũng như làm việc theo hướng cải thiện phương pháp điều trị xạ trị cho các bệnh nhân ung thư.

• Làm việc hướng tới phương pháp điều trị cá nhân: Trung tâm thiết bị laser (CLF) tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton là nơi có hệ thống bạch tuộc (Octopus), được phát triển và xây dựng bởi STFC với sự tài trợ của BBSRC (Hội đồng nghiên cứu khoa học sinh học và công nghệ sinh học). Bạch tuộc kết hợp laser đa màu với kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến để xây dựng một hình ảnh duy nhất của các protein và các phân tử bên trong các tế bào của bệnh nhân mà đang gây ra bệnh. Bằng cách gắn thẻ các protein 'misbehaving' này và sử dụng các laser để chiếu chúng, các nhà khoa học có thể thấy sự tương tác phân tử đằng sau căn bệnh. Hình ảnh phức tạp này, là duy nhất cho mỗi bệnh nhân, đang được nghiên cứu với mục đích cuối cùng của việc phát triển thuốc điều trị phù hợp sẽ làm tăng hiệu quả của phương pháp điều trị đồng thời giảm bớt các tác dụng phụ và ngăn ngừa sự phát triển kháng thuốc.

Phát triển các công nghệ mới cho bệnh viện sử dụng: Các thí nghiệm sử dụng laser Gemini của CLF đang mang chúng ta đến gần máy gia tốc hạt laser điều khiển được, siêu nhỏ gọn, đủ nhỏ để được cài đặt trong bệnh viện, nơi chúng có thể được sử dụng cho điều trị ung thư chùm hạt. Chúng tôi cũng đang nghiên cứu các chùm tia X-ray laser điều khiển cho chẩn đoán và tạo ảnh tại chỗ trong quá trình điều trị.

Các Neutron có thể giúp chúng ta hít thở dễ dàng hơn: Ho, thở khò khè, và sự thắt chặt khó chịu ở vùng ngực là một số triệu chứng khó chịu bệnh hen suyễn sẽ nhận ra, mà tồi tệ nhất của chúng thường ở các thành phố trong mùa hè. Một trong những nguyên nhân của các triệu chứng này là ozone. Sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh liên quan đến nồng độ ozone và các vấn đề hô hấp đã gây ra sự quan tâm trong cộng đồng khoa học. Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Birkbeck ở London đang sử dụng ISIS để xem làm thế nào ozone tấn công các phân tử lipid ở bề mặt phổi – tuyến bảo vệ đầu tiên của cơ thể. Các Neutron là công cụ hoàn hảo cho nghiên cứu này, vì chúng cho phép hình dung về giao diện ở mức độ phân tử. Các kết quả từ những nghiên cứu này có thể dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về cách giúp đỡ những người có vấn đề với chất hoạt động bề mặt phổi của họ - bao gồm cả trẻ sinh non - và cho sự phát triển những thuốc mới cho bệnh hen suyễn và bệnh xơ hóa.

3. Môi trường

Biến đổi khí hậu là một trong những thách thức cấp bách nhất của chúng ta, với tình trạng phá rừng và sử dụng nhiên liệu hóa thạch của chúng ta đang tăng nồng độ các khí nhà kính trong bầu khí quyển của Trái đất. Các kỹ thuật laser chuyên dụng sử dụng tại CLF cho phép chúng ta nhìn thấy và nắm bắt các đối tượng vi mô, và để hiểu thêm về môi trường của chúng ta. Các Neutron từ ISIS cho phép chúng ta nghiên cứu quá trình hóa học trong khí quyển và phát triển các kỹ thuật lưu trữ carbon mới.

Lĩnh hội về đám mây: Các nhà khoa học sử dụng các chùm tia laser là "cái nhíp" có thể bay lên và di chuyển các vi giọt riêng rẽ của các kiểu tạo nên những đám mây, cho phép chúng ta nghiên cứu các đối tượng tinh tế dưới kính hiển vi hoặc trong một dòng tia X-quang. Các nhà khoa học cho rằng khả năng của các đám mây hấp thụ và phản xạ nhiệt có tác động đáng kể về biến đổi khí hậu, và vì thế rất cần thiết cho chúng ta hiểu thành phần hóa học phức tạp xảy ra trong chúng. Tiến sĩ Martin King và nhóm của ông từ Royal Holloway, Đại học London, đã đang sử dụng CLF và ISIS để xem xét các tác động gây ô nhiễm có trong các giọt mây. Với số lượng lớn người nấu ăn tại các thành phố, dầu ăn bốc hơi có thể gây ra một lớp dầu - một màng hoạt động bề mặt - hình thành trên các giọt mây. Các màng bề mặt ảnh hưởng đến mọi khía cạnh của động lực đám mây, từ kích thước của giọt nước đến liệu có hay không mưa rơi từ các đám mây. Tuy nhiên các màng hoạt động bề mặt bị oxy hoá trong khí quyển, và nhóm của Tiến sĩ King quan tâm đến tốc độ của các phản ứng này. Bằng cách mô phỏng trạng thái của chúng trong các điều kiện phòng thí nghiệm có kiểm soát, chúng tôi có thể bộc lộ bằng cách nào mà các chất ô nhiễm này và khác, chẳng hạn như những chất được gây ra bởi đốt nhiên liệu hóa thạch, ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của các giọt nhỏ. Tìm hiểu về hóa học khí quyển cơ bản này sẽ cho phép chúng ta tạo ra nhiều mô hình đám mây chính xác hơn.

Giữ lại các khí nhà kính: Chúng tôi đã đang sử dụng ISIS để nghiên cứu một loại vật liệu mới có tiềm năng cách mạng hóa việc bắt giữ các khí nhà kính. Các vật liệu hiện đang được sử dụng tạo ra các sản phẩm phụ độc hại, và tốn nhiều năng lượng để sản xuất. Một nhóm từ Đại học Nottingham đã phát triển một loại vật liệu xốp gọi là NOTT-300 để bắt giữ carbon dioxide trong một cái khung phân tử, do đó khí có thể được loại bỏ một cách an toàn từ môi trường.

4. Năng lượng

Chúng tôi đang phát triển các giải pháp tiên tiến đến thách thức năng lượng toàn cầu, bao gồm sử dụng laser trong CLF để nghiên cứu phản ứng hạt nhân và năng lượng mặt trời. Một lựa chọn khác là sử dụng khí carbon dioxide và hydrogen để thực hiện thay thế xăng dầu tổng hợp, và các nhà khoa học tại ISIS đang làm việc về cách để cải thiện quá trình này.

Khai thác năng lượng của Mặt Trời: Chúng tôi đã biết trong thời điểm bây giờ phản ứng tổng hợp hạt nhân - quá trình mà năng lượng của Mặt trời có thể cung cấp một nguồn cung năng lượng vô tận sạch và an toàn. Các nhà khoa học trên trái đất đang cố gắng tái tạo quá trình phản ứng tổng hợp bằng cách sử dụng laser để đốt nóng cùng nhau các hạt nhân của các đồng vị hydro, mà giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ. Chỉ cần một km khối nước biển có đủ deuterium các đồng vị hydro để cung cấp năng lượng nhiều hơn so với trữ lượng dầu mỏ của thế giới. Khi không có phát thải khí nhà kính, và nguồn nhiên liệu rộng rãi có sẵn, phản ứng tổng hợp có thể giải quyết nhu cầu năng lượng trong tương lai của chúng ta. Hiểu biết nhiệt độ cực kỳ cao và vật lý mật độ cao là chìa khóa cho nghiên cứu phản ứng tổng hợp, và chúng tôi sử dụng laser công suất cao như Vulcan để tạo ra những điều kiện này. Ở những nơi khác trong CLF, chúng tôi đang sử dụng hệ thống Ultra để nghiên cứu proteins quang hoạt – những cỗ máy nano ánh sáng có điều khiển được thiết kế mạnh hoặc có thể dễ dàng thay thế. Chúng tôi hy vọng những cỗ máy nano này tạo thành một phần quan trọng của năng lượng mặt trời được điều khiển bởi các thiết bị có kích thước nano, và công việc này là nền tảng cho nghiên cứu năng lượng mặt trời.

• Phát triển các lựa chọn thay thế cho dầu

Chúng ta biết rằng nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt, nhưng liệu có thể làm ra dầu? Khí tổng hợp là một hỗn hợp của khí carbon dioxide và hydrogen, có thể được chuyển đổi thành xăng và dầu diesel thông qua một quá trình được gọi là xúc tác Fischer-Tropsch. Carbon dioxide được sử dụng có thể đến từ bất cứ nguồn nào, bao gồm cả sinh khối, than đá và khí methane - làm cho quá trình rất linh hoạt. Phản ứng phụ thuộc vào việc sử dụng các chất xúc tác, mà thường dựa vào sắt. Bên trong các lò phản ứng, việc chuyển đổi từ các tiền chất dựa vào sắt thành chất xúc tác hoạt tính là rất phức tạp, và các nhà khoa học sử dụng các công cụ TOSCA tại ISIS nghiên cứu các mẫu từ một nhà máy làm việc để điều tra xem liệu các thành phần của chất xúc tác có thể bị ảnh hưởng để cải thiện quá trình sản xuất.

Nguồn: http://www.stfc.ac.uk

Chuyên mục, tin tức liên quan:
Tìm kiếm nâng cao >>









Đăng nhập