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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Un team guidato da ricercatori della UCLA Henry Samueli School di Ingegneria e Scienze Applicate ha creato un metallo strutturale super-forte ma leggero con un forza specifica eccezionalmente resistente in termini assoluti. Il nuovo metallo è composto da magnesio infuso in maniera densa e omogenea con nanoparticelle ceramiche di carburo di silicio. Potrebbe essere utilizzato per creare aeroplani, moduli spaziali e auto più leggere – aiutando a migliorare l’efficienza energetica di questi mezzi – come anche nell’industria dell’elettronica portatile e dei dispositivi biomedici.

Per creare questo metallo super-forte ma leggero, la squadra ha trovato un nuovo modo per disperdere e stabilizzare nanoparticelle all’interno del metallo fuso. Hanno anche sviluppato un metodo di manifattura scalabile che potrebbe aprire la strada per altri metalli superleggeri con caratteristiche simili. La ricerca è stata pubblicata su Nature.

“E’ stato ipotizzato che le nanoparticelle potrebbero realmente rafforzare la resistenza dei metalli senza danneggiarne la plasticità, specialmente metalli leggeri come il magnesio, ma nessun gruppo è mai stato in grado di disperdere nanoparticelle ceramiche in metalli fusi fino ad ora”

ha affermato Xiaochun Li, il principale indagatore sulla ricerca con cattedra Raytheon in Ingegneria Manifatturiera all’UCLA.

“Con una infusione di processi fisici e materiali, il nostro metodo apre un nuovo mondo riguardante il miglioramento delle caratteristiche dei metalli per superare le sfide della società moderna nel campo dell’energia e della sostenibilità.”

 

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Sulla sinistra, un campione deformato del metallo puro; sulla destra, il nuovo e resistente metallo composto da magnesio e nanoparticelle di carburo di silicio. Ogni micro-colonna ha un diametro di circa 4 micrometri. Credit: UCLA Scifacturing Laboratory

 

I metalli strutturali sono metalli portanti; essi vengono utilizzati negli edifici e nei veicoli. Il magnesio, con due terzi della densità rispetto all’alluminio, è il più leggero metallo strutturale. Il carburo di silicio è una ceramica ultra-resistente comunemente utilizzata nelle lame da taglio industriali. La tecnica dei ricercatori che infonde un grande numero di particelle di carburo di silicio più piccole di 100 nanometri nel magnesio aggiunge una quantità significante di resistenza, rigidità, plasticità e durabilità ad alte temperature.

Il nuovo magnesio infuso con carburo di silicio dei ricercatori ha dimostrato livelli record di resistenza specifica – ovvero quanto peso un materiale può sopportare prima di rompersi – e modulus – la rigidità del materiale in rapporto al suo peso. ha inoltre dimostrato una stabilità superiore ad alte temperature.

Le particelle di ceramica sono a lungo state considerate potenzialmente in grado di migliorare i metalli. L’inconveniente con particelle di ceramica su microscala stava nel processo d’infusione causava una perdita di plasticità.

Le particelle su nanoscala, al contrario, possono migliorare la resistenza mantenendo e addirittura migliorando la plasticità dei metalli. Il nuovo problema consisteva nel fatto che le particelle di ceramica tendevano a raggrupparsi insieme piuttosto che a distribuirsi omogeneamente a causa della tendenza delle piccole particelle nell’attrarsi l’una con l’altra.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno disperso le perticelle in una lega di magnesio e zinco. La scoperta di questa nuova dispersione nanoparticellare fà affidamento sull’energia cinetica del movimento delle particelle. Questa le stabilizza e ne previene l’aggregazione.

Per migliorare ulteriormente la forza del materiale, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata torsione ad alta pressione per comprimerlo.

“I risultati che abbiamo ottenuto fino ad ora sono semplicemente stati ottenuti graffiando la superficie del tesoro nascosto di una nuova classe di metalli con proprietà e funzionalità rivoluzionarie,” ha affermato Li.

Il nuovo metallo (più accuratamente chiamato metallo nanocomposto) è composta dal 14% circa di nanoparticelle di carburo di silicio e dall’86% di magnesio. I ricercatori hanno fatto notare che il magnesio è una risorsa abbondante e che il suo utilizzo su scala maggiore non causerà danni all’ambiente.

Fonte: http://phys.org/

 

 

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Traduzione a cura di Denis Gobbi


Nei piani di HP una stampante che combina la stampa di vetro con quella di altri materiali, come indicato da una recente richiesta di personale.

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HP non sembra contenta con la sola stampa 3D di materiali plastici. Un lavoro per un “esperto di robotica per stampa 3D” suona abbastanza normale finchè non approfondisci l’argomento e nel testo trovi questo:

HP Labs sezione ricerca nel campo della stampa di materiali inorganici stà lavorando sulla stampa ibrida di vetro (e altri materiali inorganici) in oggetti già prodotti su larga scala

La stampa 3d generalmente è riservata a materiali plastici e metallici. Sentir parlare di stampa di vetro risulta abbastanza inusuale. Ma HP ha sicuramente le sue ragioni. In accordo con un documento risalente al 2012 di HP Labs:

Dato che la terra è composta al 90% da minerali silicati, non ci sarà mai carenza di questo tipo di risorsa.Il vetro è facile da riciclare ed è amico dell’ambiente. Il vetro è economico ma ha un’apparenza elegante, è piacevole al tatto ed è così familiare da far si che i clienti non diano troppo peso alla sua fragilità – a certe condizioni.

Modelli 3d stampati in vetro

Modelli 3d stampati in vetro

Esistono diversi metodi per produrre vetro, e questo documento indica che HP è interessata ad adattarne più di uno alle stampanti 3D. Le stampanti possono, per esempio, eliminare la necessità di uno stampo. Gli artigiani del vetro potrebbero usare una stampante 3D per creare un modello di vetro della complessità desiderata, e successivamente riscaldarlo in un forno.

Quello che non ci è completamente chiaro dell’annuncio è dove parla di “oggetti precedentemente prodotti in scala di massa”. Non è chiaro cosa voglia dire esattamente, ma viene in mente l’elettronica. La stampa 3D potrebbe provvedere ad un metodo relativamente economico di aggiungere vetro a modelli complessi.

HP è in procinto di lanciare la sua prima stampante 3D in Ottobre. Non ne sappiamo molto eccetto il fatto che sarà orientata al mercato business e porterà potenziale respiro all’azienda attualmente in difficoltà. Certamente non sarà una stampante per vetro. Questo progetto vivrà ancora a lungo solamente all’interno dei laboratori di HP.

Fonte: gigaom.com

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Negli impianti eolici in Nord America e Europa, eleganti turbine equipaggiate con tecnologia all’avanguardia convertono l’energia del vento in elettricità. Ma, all’interno di queste pale ingegnerizzate modernamente, c’è un cuore di materiale decisamente poco raffinato tecnologicamente parlando: legno di balsa. Come altri prodotti che utilizzano sandwitch di pannelli per raggiungere una combinazione di leggerezza e forza strutturale, le pale delle turbine contengono strisce di legno di balsa dall’Ecuador (che provvede alla soddisfazione del 95% della domanda mondiale di questo materiale) sapientemente allineate. Per secoli, l’albero della Balsa è stato ritenuto pregiato per la sua velocità di crescita (in 5 anni un albero è già pronto per essere abbattuto e lavorato N.d.T.), la sua leggerezza e la sua resistenza rapportata alla densità del legno. Per contro il legno di balsa risulta costoso e le naturali variazioni nella qualità del legno possono essere d’ostacolo nel raggiungere crescenti richieste di precisione in quanto a performance richieste nel campo dell’eolico ed altre sofisticate applicazioni.

A mano a mano che i produttori di turbine aumentano le dimensioni delle pale eoliche – la più grande al mondo ora misura 75 metri, come l’apertura alare di un aereo di linea Airbus A380 – esse devono anche essere ingegnerizzate per mantenersi libere dal bisogno di manutenzione per decine di anni. Per riuscire a soddisfare queste crescenti richieste di precisione, minor peso e consistenza qualitativa, i costruttori stanno ora ricercando nuovi materiali adatti allo scopo da impiegare.

Usando un cocktail di fibre rinforzate con resine epossidiche termoindurenti, combinate con tecniche di estrusione 3d gli scienziati dell'”Harvard School of Engineering and Applied Sciences” (SEAS) e del “Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering” hanno sviluppato un materiale cellulare composito con particolarità senza precedenti riguardo a leggerezza e rigidità. A causa delle sue proprietà meccaniche e del processo di produzione, questo nuovo materiale imita e migliora la balsa e, a detta dei ricercatori, supera anche il miglior polimero e i migliori composti polimerici stampati in 3d attualmente disponibili.

polimerobalsa

Un documento illustrante i risultati del team di ricerca è stato pubblicato online su “Advanced Materials”.

Fino ad oggi, la stampa 3d era stata utilizzata nel campo della termoplastica e delle UV – resine reticolabili – materiali che non sono considerati generalmente utili ingegneristicamente parlando per applicazioni strutturali. “Addentrandoci in una classe di materiali completamente nuova quali gli epossidici, apriamo nuovi vie che porteranno la stampa 3d ad essere efficacemente impiegata nella fabbricazione di strutture ultraleggere” ha affermato Jennifer A. Lewis, professore di Ingegneria Biologicamente Ispirata ad Harvard SEAS. “Essenzialmente, stiamo ampliando i materiali e i possibili campi di applicazione della stampa 3d.”

Il legno di balsa ha una struttura cellulare che minimizza il peso perchè la maggior parte dello spazio che occupa risulta vuoto, solamente le pareti cellulari sostengono il peso strutturale. Ha quindi un alta rigidità e forza specifica.” Spiega Luis, che oltre al suo ruolo ad Harvard è anche un membro facoltoso dell’Istituto Wyss. “Abbiamo preso in prestito quel design dalla natura e ne abbiamo creato un’altro composto ingegneristicamente.”

Lewis e Brett G. Compton, hanno sviluppato inchiostri di resina epossidica contenenti aumentatori di viscosità come piastrine di nanoargilla e un composto chiamato dimetil fosfato e riempitivi quali piccoli “baffi” di carbonato di silicio e fibre di carbonio. Il risultato è un inchiostro altamente fibroso che ha nella sua caratteristica chiave il poter essere facilmente controllato nell’orientamento delle fibre durante l’estrusione.

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La direzione presa nel depositare il composto ne determina la forza (pensate alla facilità con cui si spezza un pezzo di legno in parallelo lungo le fibre piuttosto che perpendicolarmente contro il grano).

Luis e Compton hanno dimostrato che grazie alla loro tecnica si può ottenere un composto rigido come il legno, dalle 10 alle 20 volte più rigido dei normali polimeri utilizzati dalle stampanti 3d commerciali, e il doppio più forti dei migliori composti attualmente esistenti in questo campo. L’abilità nel controllare l’allineamento dei riempitivi permette a chi li produce di modificarne digitalmente la composizione controllandone la rigidità e tenacità a seconda del design di riferimento.

“Questo rende possibile, per la prima volta, la stampa 3d di strutture a nido d’ape formate da celle rinforzate con fibre” afferma Lorna Gibson, professoressa di scienze dei materiali e ingegneria meccanica al Massachusetts Institute of Technology, nonchè una dei più grandi esperti in composti a celle, seppur non fosse coinvolta in questa ricerca. “Particolarmente significante è il modo in cui le fibre possono venire allineate mediante il controllo della loro proporzione – intesa come lunghezza relativa al diametro – e il diametro dell’ugello utilizzato. Questo segna un importante passo avanti nel design ingegneristico di materiali che simulano il legno, ovunque conosciuto per le sue lodabili qualità meccaniche in rapporto al suo peso.”

“Ottenendo man mano maggior controllo nell’allineamento delle fibre ed imparando ad integrare meglio il loro orientamento in design efficienti possiamo ancora ottimizzare l’efficienza di questo materiale” ha aggiunto Compton, facente parte ora dello staff di ricerca al Laboratorio Nazionale di Oak Ridge.  “Eventualmente, potremmo essere prossimamente capaci di cambiare il grado di allineamento e la composizione delle fibre riempitive in tempo reale durante la stampa.

fibre riempitive

Questo lavoro potrebbe trovare applicazione in molti campi inclusa l’industria automobilistica, dove i materiali leggeri sono una chiave nel raggiungimento di alti standard d’efficienza quanto a carburante consumato. Secondo una stima, tagliando anche solo 110 libbre di peso da ogni autoveicolo nel miliardo di autoveicoli presenti nelle strade del mondo produrrebbe un risparmio di 40 miliardi di dollari ogni anno.

La stampa 3d può trasformare radicalmente la produzione anche in altre vie. Lewis afferma che il prossimo passo consisterà nel testare resine termoindurenti per la creazione di diversi tipi di architettura includendo anche la tecnica di allineamento delle fibre precedentemente spiegata. Questo potrebbe portare in avanzamenti non solo nei materiali strutturali, ma anche nel campo dei composti conduttivi.

Fonte: Seas.harvard.edu

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Traduzione a cura di Francesco Manghi 

I ricercatori dell’Idaho National Laboratory, insieme con i partner a Microcontinuum Inc. (Cambridge, MA) e Patrick Pinhero dell’Università del Missouri, stanno sviluppando un nuovo modo per raccogliere l’energia dal sole con una tecnologia che potrebbe costare pochi centesimi al metro, essere stampato su materiali flessibili e ancora trarre energia anche dopo il tramonto del sole.
Il nuovo approccio, che ha ottenuto due premi Nano50 2007, utilizza un processo di fabbricazione speciale per stampare piccoli anelli di metallo conduttori dentro a un foglio di plastica. Ogni “nanoantenna” è larga come 1/25 del diametro di un capello umano.
A causa delle loro dimensioni, le nanoantenne sono in grado di assorbire energia nella parte infrarossa dello spettro, appena fuori della gamma del visibile dall’occhio umano. Il sole irradia molta energia infrarossa, parte della quale è assorbita dalla terra e poi rilasciata come radiazione per ore dopo il tramonto. Le nanoantenne sono in grado di assorbire energia sia dalla luce solare che dal calore della terra, con una maggiore efficienza rispetto alle celle solari.
“Penso che queste antenne abbiano davvero il potenziale per sostituire i tradizionali pannelli solari”, dice il fisico Steven Novack, che ha parlato della tecnologia nel mese di novembre durante la Conferenza Nazionale di Nanoingegneria a Boston.
Prendendo antenne a livello atomico, i minuscoli circuiti assorbono energia proprio come l’antenna del televisore o del telefono cellulare. Tutte le antenne funzionano per risonanza, lo stesso fenomeno fisico auto-rinforzante che permette a una nota alta a frantumare il vetro. Le antenne delle radio e delle televisioni devono essere grandi a causa della lunghezza d’onda dell’energia che hanno bisogno per intercettare. In teoria, facendo antenne in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica più vicina a quella che possiamo vedere è semplice: basta progettare un’antenna più piccola.

Ma trovare un modo efficace per stampare le matrici in scala atomica ha impegnato i ricercatori per un certo numero di anni. “Non è che questo concetto sia nuovo,” afferma Novack, “ma il boom nel campo delle nanotecnologie è quello che ha davvero reso possibile tutto questo.” Il team INL prevede che le antenne possano un giorno essere prodotte come un foglio o pellicola trasparente su macchine a rulli. Fino ad ora hanno testato un processo di imprinting con timbri circolari da sei pollici, ciascuno in possesso di oltre 10 milioni di antenne.
Non è stato immediatamente evidente quali strutture potessero essere utilizzate per l’energia solare. In un primo momento, i ricercatori hanno considerato l’accoppiamento tra antenne tradizionali e celle solari, per rendere queste ultime più efficienti. “Poi abbiamo pensato di ripartire da zero”, dice Novack. “Ci siamo resi conto che avremmo potuto rendere le antenne macchine per la raccolta energetica.”

Un’alternativa economica.

I pannelli solari commerciali solitamente sono in grado di convertire meno del 20% dell’ energia utilizzabile che li colpisce per trasformarla in energia elettrica. Ogni cella è fatto di silicio drogato con elementi diversi per aumentarne l’efficienza. “L’offerta di silicio trasformato è ridotta, e diventa sempre più costoso”, dice Novack.
Spera che lenanoantenne solari siano un’alternativa più efficiente e sostenibile.
Il team stima che le singole nanoantenne siano in grado di assorbire circa l’80% dell’energia disponibile. Gli stessi circuiti possono essere realizzati in una serie di diversi metalli conduttori, e le nanoantenne possono essere stampate su materiali sottili e flessibili come il polietilene, una plastica che è comunemente usata per i sacchetti di plastica e gli involucri. In effetti, la squadra all’inizio ha stampato antenne su sacchetti di plastica utilizzati per consegnare il Wall Street Journal, solo perché avevano il giusto spessore.
Focalizzando l’attenzione su materiali facilmente reperibili e la produzione rapida dall’inizio, dice Novack, l’obiettivo è quello di rendere i fogli di nanoantenne commerciabili a un prezzo basso, come un tappeto poco costoso.

Messa a punto di strutture sottili.

Il ricercatore Steven Novack mostra un foglio plastico di nanoantenne. Ogni quadrato ne contiene circa 260 milioni. Solitamente nella ricerca e sviluppo della nanotecnologia i prototipi vengono realizzati nella scala del centimetro, ma questo processo di manifattura brevettato dimostra come le caratteristiche in nano-scala del progetto possano essere riprodotte su grandi volumi.

Il vero trucco per creare i pannelli solari a nanoantenne è quello di essere in grado di prevedere le loro proprietà e perfezionare il loro design prima di stamparle in fabbrica. Mentre è relativamente facile da risolvere la fisica di una antenna risonante, complesse interazioni iniziano ad accadere quando si combinano più antenne. Quando sono colpite con la giusta frequenza di luce infrarossa, le antenne producono campi elettromagnetici ad alta energia che possono avere effetti inattesi sui materiali.
Così i ricercatori stanno sviluppando un modello al computer di risonanza nelle piccole strutture, alla ricerca di modi per ottimizzare l’efficienza di un intero array modificando fattori come i materiali e la forma dell’antenna. “La capacità di modellare queste antenne è quello che puù garantirci il successo, perché non possiamo vedere queste cose”, dice Novack. “Sono difficili da manipolare, e piccole modifiche possono comportare grandi differenze.”

Un futuro carico.

Un serie di anelli di nanoantenne, impressa su plastica e ripresa con un microscopio elettronico a scansione. Il filo impiegato è spesso circa 200 nanometri.

Un giorno, secondo Novack, questi collettori a nanoantenne potrebbero caricare batterie portatili, coprire i tetti delle case e, forse, anche essere integrati inei tessuti di poliestere. Pannelli bifoderati potrebbero assorbire un ampio spettro di energia dal sole durante il giorno, mentre l’altro lato può essere progettato per assorbire la frequenza minore di energia prodotta dal calore irradiato della terra.
Mentre le nanoantenne possono essere facilmente lavorate, una parte cruciale del processo deve ancora essere pienamente sviluppato: la creazione di un modo per memorizzare o trasmettere l’elettricità. Sebbene raggi infrarossi possano creare una corrente alternata nella nanoantenna, la frequenza della corrente attuale và avanti e indietro 10.000 miliardi di volte al secondo. E ‘troppo veloce per gli elettrodomestici, che operano sulle correnti che oscillano solo 60 volte al secondo. Così il team sta studiando un modo per rallentare il ciclo, eventualmente inserendo dispositivi di conversione dell’energia come piccoli condensatori direttamente nella struttura dell’ antenna come parte del processo di stampa delle stesse.

I ricercatori INL Dale Kotter (a sinistra), Steven Novack, e Judy Partin stanno sviluppando fogli di plastica flessibili di nanoantenne per raccogliere l’energia solare.

“A questo punto, queste antenne sono utili a catturare l’energia, ma non sono capaci di convertirla”, dice INL ingegnere Dale Kotter, “ma c’è una ricerca esplorativa molto promettente in corso.” Kotter e Novack stanno anche studiando un modo per trasformare l’alta frequenza di corrente alternata (AC) in corrente continua (DC), che può essere immagazzinata in batterie. Una possibilità è di creare antenne con una forma a spirale e introdurre raddrizzatori ad alta velocità o diodi speciali, al fine di convertire l’energia elettrica da AC a DC. Il team ha richiesto il brevetto su una varietà potenziale di metodi di conversione di energia. Siamo a soli pochi anni di distanza dalla creazione di una nuova generazione di collettori di energia solare.

Fonti:  inlportal

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Traduzione a cura di Daniel Iversen


Molti degli strumenti di comunicazione in uso oggi contano sulla funzionalità della luce o, più specificatamente, applicando informazioni a un’onda luminosa. Fino ad oggi, gli studi sui dispositivi ottici ed elettronici, che con i loro materiali costituiscono le fondamenta della moderna elettronica (tv, cellulari, computers) si sono in genere basati su effetti ottici non-lineari, producendo prodotti dove la larghezza di banda è stata limitata nelle frequenze dei gigaHertz (Ghz).
(Hertz sta per cicli al secondo di un fenomeno periodico, in questo caso un miliardo di cicli).
 

Grazie alle ricerche svolte presso l’Università di Pittsburgh, è stata dimostrata la base fisica per la larghezza di banda dei therahertz (THz, o 1 trilione di cicli al secondo), la porzione di spettro elettromagnetico tra l’infrarosso e le microonde.In un articolo pubblicato il 4 marzo su Nature Photonics, Hrvoje Petek, professore di fisica e chimica nella Pitt Kenneth P. Detrich School of Arts and Sciences, il suo collega Muneaki Hase, professore di fisica applicata all’Università di Tsukuba in Giappone e uno scienziato in visita al laboratorio di Petek, hanno dettagliato il loro successo generando una gamma di frequenze, ossia la divisione di un singolo colore in una serie di righe di ogni spettro distribuiti uniformemente per una varietà di usi – che si estende su una larghezza di banda superiore a 100 terahertz eccitando un risonanza armonica atomica in un cristallo di silicio semiconduttore.

“L’abilità di modulare luce di questa larghezza di banda potrebbe aumentare più di 1000 volte la quantità di informazioni portate rispetto al volume totale dato con le tecnologie di oggi” dice Petek. “Inutile dire che questa è stata una scoperta a lungo attesa in questo campo”.

Per studiare le proprietà ottiche di un cristallo di silicio, Petek e il suo team hanno osservato la variazione di riflettività dopo l’eccitazione con un intenso impulso laser. Dopo l’eccitazione, la squadra ha visto che la quantità di luce riflessa oscilla a 15,6 Thz, la massima frequenza meccanica degli atomi all’interno di un reticolo di silicio.

Questa oscillazione ha causato un ulteriore cambiamento nell’assorbimento e nella riflessione della luce, moltiplicando la frequenza di oscillazione fondamentale fino a sette volte per generare uno spettro di frequenze che si estendono oltre 100 Thz. Petek e la sua squadra hanno potuto osservare per la prima volta la produzione di uno spettro di frequenze simile da un cristallino solido.

“Anche se ci aspettavamo di vedere un’oscillazione a 15.6 THz, non ci siamo accorti che questa eccitazione potrebbe cambiare le proprietà del silicio in un modo cosi forte” dice Petek. “La scoperta è stata il risultato dello sviluppo di strumentazioni di analisi unici e incisivi da parte dei membri del team”.

Petek nota che i successi della squadra sono il risultato dello sviluppo di strumenti sperimentali e teorici per meglio capire come elettroni e atomi interagiscono nei solidi sotto intensi eccitamenti ottici e dell’interesse investito da Pitt Dietrich School in un infrastruttura con laboratori pieni di strumentazioni avanzate.

Il team sta attualmente indagando la risonanza di elettroni, che potrebbe ulteriormente estendere la capacità di sfruttare le interazioni luce-materia dalle frequenze dei terahertz ai petahertz. Petahertz è un’unità di misura per frequenza molto veloci (1 quadrilione di hertz)

Questa ricerca è stata finanziata da una borsa di studio della National Science Foundation.

Source: Nature Photonics

Article: Science Daily

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