Старый DVD-привод превращается… в лазерный микроскоп
В наше время DVD-приводы постепенно выходят из употребления, мало кто уже покупает диски или записывает их сам, а старые диски постепенно деградируют, ведь химическое покрытие на болванках не вечное.
Но для ненужного привода есть полезное применение. Например, из него можно смастерить лазерный микроскоп на Arduino (примечание: по факту требуется две лазерные головки, то есть два ненужных привода).
Это оптический микроскоп, который использует для сканирования образца сфокусированный лазерный луч.
Cканирование осуществляется путём перемещения лазера по двум осям в координатной сетки: x и y. Словно сканер, он проходит по всей поверхности объекта — и замеряет отражённый сигнал. Изображение составляется в специальном программном обеспечении, которое объединяет воедино результаты сканирования каждой точки.
Золотишко в дисководе ДВД плеера
Лазерная головка CD/DVD
Например, в в проекте GaudiLabs на фото вверху микроскоп изготовлен из двух лазерных головок HD DVD. Лазер из такой головки сканирует образец, фокусировка происходит с помощью собственного фокусирующего механизма. Движение луча — с помощью отклоняющих катушек лазера в головке.
Один из вариантов лазерного микроскопа — конфокальный лазерный сканирующий микроскоп, позволяющий реконструировать трёхмерные структуры по наборам изображений на разной глубине. Конфокальные лазерные сканирующие микроскопы часто используются вместе с флуоресцентными материалами для изучения клеток и других биологических образцов.
Принцип конфокальной визуализации запатентован в 1957 году Марвином Минским, Dahn
Разрешение изображения определяется количеством измерений, сделанных в направлении x, и количеством линий в направлении y. Максимальное разрешение ограничено апертурой объектива и длиной волны лазера, как и в обычных оптических микроскопах. При сканировании флуоресцентных веществ разрешение часто ограничено силой сигнала. Его можно увеличить за счёт использования более чувствительных фотодетекторов или увеличения интенсивности освещающего лазера.
Белок бета-тубулин в клетке ресничной инфузории Tetrahymena визуализируется с помощью флуоресцентных антител. Фото получено с коммерческого конфокального микроскопа, Павел Яснос
Какое разрешение у лазерных головок CD и DVD? Очевидно, его должно быть достаточно для считывания ямок на поверхности компакт-диска, которыми кодируется информация (0 и 1).
У дисков DVD эти ямки примерно вдвое меньше по размеру, чем у CD, а у HD DVD — ещё вдвое меньше.
Лазер в дисководах есть, но не вовсех изделиях.
Конструкция микроскопа GaudiLabs
Ребята из швейцарской лаборатории GaudiLabs начали с проверки концепции, что прибор в принципе возможно сконструировать.
Первый прототип
Конструкция микроскопа состоит из двух лазерных головок. Первая излучает лазер и сдвигает его по оси x. На второй закреплён сканируемый образец — она движется в направлении y. Вместо фотодетектора используется простой фотодиод. Катушки контролирует схема Arduino с приводом, а изображения обрабатывает опенсорсная утилита Processing. Разрешения сканирования около 1,1 мкм (толщина человеческого волоса около 50 мкм).
Для второго прототипа была изготовлена печатная плата с микроконтроллером Arduino Micro со специальными коннекторами для лазерных головок.
Верхняя и нижняя стороны печатной платы, куда крепятся две лазерные головки (репозиторий на GitHub со схемами и программным обеспечением)
Программное обеспечение отправляет сканеру параметры сканирования и получает данные сканирования построчно. Поддерживается установка следующих параметров:
- Тип лазера (ИК, красный, синий для головок CD, DVD и Blu-Ray)
- Мощность лазера
- Положение сканирования
- Разрешение сканирования
- Сенсор (A0, S1, S2, RF, DIF)
- Цветовая схема и яркость
Ямки на поверхности CD-ROM, сфотографированные самодельным лазерным сканирующим микроскопом
Некоторые другие фотографии:
Сканы бактерий с разным разрешением и разными цветовыми схемами
Лазерные сканы клеток дрожжей
В данном проекте использовались головки PHR-803T из привода Xbox 360 (HD DVD).
Конечно, GaudiLabs далеко не первые, кто сделал лазерный микроскоп из оптического DVD-привода. Например, немецкий инженер Ханнес Золинер выполнил аналогичный проект в рамках своей магистерской диссертации.
Фокусировка в микроскопе Золинера
Процесс сканирования в микроскопе Золинера
На сайте Instructables есть пошаговая инструкция для Arduino по сборке.
См. также научные статьи 2016 и 2018 годов с описанием подобных установок: Hacking CD/DVD/Blu-ray for Biosensing (ACS Sens. 2018, 3, 7, 1222–1232, doi: 10.1021/acssensors.8b00340) и Generating SEL and SEU with a class 1 laser setup (конференция RADECS 2016, doi: 10.1109/RADECS.2016.8093163).
Источник5-сантиметровый алмаз, способный хранить эквивалент одного миллиарда дисков Blu-ray
Японские исследователи разработали систему производства алмазов с очень высокой степенью чистоты. Их цель — использовать их в качестве компонентов для квантовых компьютеров, благодаря их особым свойствам. Полученные алмазы могут хранить эквивалент одного миллиарда дисков Blu-ray на диске диаметром 5 сантиметров.
«Диаметр вновь разработанной алмазной пластины составляет 2 дюйма (около 55 мм), что гораздо больше, чем имеющиеся в настоящее время кристаллы размером 4 мм × 4 мм«, — говорится в пресс-релизе компании Namiki Precision Jewel Co, которая разработала новый материал совместно с Университетом Сага. Эти алмазные «срезы» могут быть использованы в качестве носителей информации в квантовых компьютерах.
Квантовый компьютер опирается на принципы квантовой физики для выполнения своих вычислений. Квантовая физика — это наука, изучающая поведение материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Действительно, наблюдая за материей в таких масштабах, ученые постепенно обнаружили, что она ведет себя совершенно неинтуитивно по сравнению с классической физикой.
Именно изучение этих форм поведения позволило выявить новые физические принципы. Они исследуются и по сей день. Одно из конкретных применений этой физики — создание квантовых компьютеров.
Классический компьютер основан на «битах». Они являются основной единицей информации. Бит может находиться в состоянии 0 или 1, и именно на этих 0 и 1 основаны все более сложные коды в компьютерах, составляющие программы. В квантовом компьютере используются «кубиты». Они могут быть как 0, так и 1, в суперпозиции состояний.
Это известно как «квантовым принципом суперпозиции».
Более конкретно, то, что называется «кубитами», на самом деле является атомами, которые «организованы» различными способами так, чтобы они взаимодействовали друг с другом и переходили в квантовые состояния, необходимые компьютеру. Используются различные типы атомов и различные системы. Например, существуют «магнитные ловушки» для положительных ионов. Алмаз — еще одна перспективная система хранения кубитов, исследования которой ведутся уже несколько лет.
Особый дефект в структуре кристалла, известный как «азотно-лаковый центр», или NV, может быть использован для хранения данных в виде квантовых битов. «NV-центр состоит из атома азота и соответствующей щели в решетке алмаза. Этот NV-центр может формировать крошечные магнитные силы и функционировать как квантовая память на атомном уровне«, — объясняют исследователи.
Однако эта система сталкивается с некоторыми трудностями. Именно атом азота обеспечивает его работу. Однако слишком большое количество азота в алмазе нарушает его возможности квантовой памяти. В идеале, следовательно, нам нужно создать очень чистый алмаз, но достаточно большой, чтобы обеспечить «место для хранения». Но это нелегкая задача.
Обычно (не природные) алмазы изготавливаются путем выращивания кристаллов на плоской поверхности — подложке. Но если они слишком большие, то могут легко треснуть под нагрузкой. Поэтому на этот раз исследователи применили другой метод. Они использовали не плоскую поверхность, а поверхность в форме лестницы, чтобы по-разному распределить напряжение и избежать растрескивания.
Таким образом, им удалось создать алмаз размером чуть более пяти сантиметров с очень высокой степенью чистоты. Они назвали его Kenzan Diamond. По их словам, по объему памяти он может хранить эквивалент миллиарда дисков Blu-ray. Для сравнения, однослойный диск Blu-ray вмещает 25 Гб данных. Таким образом, емкость хранилища алмаза составит 25 экзабайт, что, по словам компании, «эквивалентно всем мобильным данным, распространенным в мире за один день».
Сверхчистая алмазная пластина (диаметр 55 мм), полученная исследователями. Слева внизу для сравнения представлен кристалл размером 4 мм × 4 мм, доступный в настоящее время.
Ученые надеются выпустить материал в продажу в 2023 году и уже работают над увеличением его размера в два раза — до десяти сантиметров. Их результаты будут представлены 10 мая 2022 года на Международной конференции по технологии производства сложных полупроводников.
Источник