El Centro Dodd-Walls de Tecnologías Fotónicas y Cuánticas (DWC) es un instituto de investigación de Nueva Zelanda, establecido en 2015, organizado por la Universidad de Otago y compuesto por investigadores de seis universidades de Nueva Zelanda, así como de instituciones asociadas en los EE. Kingdom y Singapur. Realiza una investigación fundamental sobre la naturaleza cuántica de la materia, la física y óptica de la luz y la manipulación de fotones individuales. Se comercializan nuevos conocimientos y aplicaciones para industrias como la agricultura , la medicina y la ingeniería civil.
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Formación | 1 de enero de 2015 |
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Tipo | Instituto de Investigaciones Físicas |
Sede | Dunedin , Nueva Zelanda |
Director | David Hutchinson |
Afiliaciones | Universidad de otago |
Personal | 220 |
Sitio web | doddwalls.ac.nz |
Orígenes
El Centro Dodd-Walls lleva el nombre de los físicos neozelandeses Jack Dodd y Dan Walls . [1] Ambos hombres fueron asesorados por ganadores del Premio Nobel - Roy Glauber en el caso de Dan Walls y Willis Lamb en el caso de Jack Dodd [ dudoso ] - y ambos se vuelven muy influyentes en el desarrollo y crecimiento de la óptica cuántica. fotónica y átomos ultrafríos, y física en general en Nueva Zelanda. [1]
Antes de 2015, dos centros de investigación llevaban esos nombres: el Centro Jack Dodd de Tecnología Cuántica de la Universidad de Otago , [2] bajo la dirección de Crispin Gardiner 2006-2009, Rob Ballagh 2009-2010 y David Hutchinson posteriormente, y Dan Walls Centro de Óptica Pura y Aplicada de la Universidad de Auckland , dirigido primero por John Harvey y luego por Cather Simpson . [3] Durante siete años hubo una colaboración entre los dos centros de investigación denominados Centro Dodd-Walls de Ciencia Cuántica, con dos codirectores (los directores de cada institución colaboradora). Este "Centro Dodd-Walls" celebró el primer Simposio Anual Dodd-Walls en Auckland en 2007.
En 2006-2007, bajo el liderazgo de Gardiner y Harvey, la Comisión de Educación Terciaria de Nueva Zelanda presentó una oferta para la financiación del Centro de Excelencia en Investigación (CoRE) para el Centro Dodd-Walls . Esta oferta no tuvo éxito, pero una segunda oferta en 2013-2014 dirigida por David Hutchinson tuvo éxito, y el 1 de enero de 2015 el Centro Dodd-Walls de Tecnologías Fotónicas y Cuánticas se convirtió en uno de los seis Centros de Excelencia en Investigación de Nueva Zelanda, con Hutchinson como el director inaugural. Fue lanzado formalmente en febrero de 2015 en un evento en el Castillo de Larnach por el Ministro de Investigación, Ciencia e Innovación Steven Joyce . [4] [5] En octubre de 2020 recibió otros $ 36,75 millones en fondos de la Comisión de Educación Terciaria para apoyar su trabajo hasta 2028. [6] [7]
El Centro Dodd-Walls actualmente comprende investigadores de seis universidades de Nueva Zelanda (además de la Universidad de Otago, la Universidad de Auckland , la Universidad Victoria de Wellington , AUT , la Universidad Massey y la Universidad de Canterbury ), así como colaboraciones con EE. UU., Reino Unido. y Singapur.
Nombre | Término | Notas |
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David Hutchinson | 2014-presente | Director |
Neil Broderick | 2014-presente | Subdirector |
Investigar
El Centro Dodd-Walls cuenta con más de 220 investigadores y estudiantes que trabajan en óptica cuántica , fotónica y física atómica de precisión . [5]
Sensores fotónicos e imágenes
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/10/Frederique_Vanholsbeeck_and_biophotonics_group-p4.jpg/440px-Frederique_Vanholsbeeck_and_biophotonics_group-p4.jpg)
Los investigadores del Dodd-Walls Center están desarrollando, aplicando y mejorando las técnicas de espectroscopía láser para detectar y obtener imágenes de una variedad de superficies y sistemas. La investigación experimental se sustenta en modelos teóricos y numéricos con énfasis en la óptica no lineal . [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Frédérique Vanholsbeeck y su equipo en el Grupo de Biofotónica de la Universidad de Auckland están utilizando la tomografía de coherencia óptica (OCT) para medir la actividad neuronal, [14] detectar cáncer [15] y enfermedades oculares, [16] [17] tomar imágenes del cartílago óseo para signos de osteoartritus , [18] [16] y monitorear la actividad cardíaca. [18] Están usando espectroscopia de fluorescencia para realizar mediciones casi en tiempo real de bacterias en los alimentos [16] [19] [20] [21] y para diagnosticar enfermedades gastrointestinales. [22]
Keith Gordon y su grupo de la Universidad de Otago utilizan la espectroscopia Raman y la espectroscopia vibratoria junto con la química computacional para analizar la estructura molecular, la función y la composición de los materiales. [23] Han aplicado sus técnicas para optimizar las células solares, [23] [24] [25] medir los microplásticos en el medio ambiente, [26] [27] identificar formas cristalinas de productos farmacéuticos, [24] evaluar la calidad y composición de los alimentos , [28] [24] analizar artefactos históricos [29] y muestras biológicas [30] [31] y desarrollar herramientas para el diagnóstico médico. [32] [33]
Kasper van Wijk y Jami Shepherd Johnson, del Laboratorio de Acústica Física de la Universidad de Auckland, utilizan técnicas de imágenes fotoacústicas , ultrasónicas y láser-ultrasónicas inspiradas en métodos geofísicos . En el exterior, los objetivos incluyen el campo volcánico de Auckland , la exploración geotérmica y la microsismicidad para la caracterización de yacimientos de fluidos. En el laboratorio, han medido la estructura de la roca y el hielo, la rigidez de la madera, [8] [34] la estructura de los huesos y las arterias [35] y la firmeza de la fruta. [36] [37] [38]
Neil Broderick de la Universidad de Auckland está colaborando con investigadores de la Universidad Victoria de Wellington para medir las vibraciones y la temperatura en la falla alpina en la isla sur de Nueva Zelanda utilizando una fibra óptica insertada en un pozo de 900 m en la falla. [39] [40] [41]
Cather Simpson y los investigadores de la Fábrica de Fotones de la Universidad de Auckland están desarrollando sensores para clasificar el esperma de toro para la industria láctea, [42] medir la composición de la leche [43] y probar la inmunidad al COVID-19 . [44] Esta investigación es la base de las empresas derivadas Engender y Orbis Diagnostics . [45]
Fuentes y componentes fotónicos
Los investigadores están desarrollando nuevas tecnologías, materiales y herramientas basadas en láser para aplicaciones en la industria y la investigación fundamental. La investigación teórica y el modelado numérico de efectos no lineales como las ondas rebeldes [46] [47] y los solitones de la cavidad temporal [48] sustentan el desarrollo de nuevas tecnologías. [49] [50]
Miro Erkintalo , Stuart Murdoch y Stéphane Coen de la Universidad de Auckland y Harald Schwefel de la Universidad de Otago han contribuido significativamente al desarrollo de peines de frecuencia de microrresonadores basados en pequeños cristales utilizados para almacenar y transformar la luz láser en diferentes frecuencias. [50] [51] Erkintalo recibió el Premio de Científico Emergente MacDiarmid 2019 del Primer Ministro de Nueva Zelanda y el Premio Hamilton de la Real Sociedad de Nueva Zelanda 2016 por sus contribuciones pioneras en este campo. [52] [53] [48] [54]
En la Fábrica de Fotones de la Universidad de Auckland, los investigadores utilizan láseres de modo bloqueado que producen pulsos de luz ultracortos exóticos en el rango de femtosegundos (fs) y picosegundos (ps) para aplicaciones en micromecanizado , microfabricación y espectroscopia . [55] [56] Los investigadores de la Universidad de Auckland también se especializan en el comportamiento de la luz en las fibras ópticas. [57] La empresa de Auckland Southern Photonics, que diseña y fabrica instrumentos para la generación y el análisis de luz, está respaldada por esta investigación. [58] [59]
Fluidos y gases cuánticos
Otra investigación del Dodd-Walls Center involucra estudios experimentales y teóricos fundamentales de gases cuánticos ultrafríos , incluidas colisiones frías controladas y química cuántica fría . Los fluidos cuánticos como los condensados de Bose-Einstein están configurados para emular la física de otros sistemas cuánticos menos accesibles o controlables. [60] [61] [13] Esto permite la investigación directa de la materia condensada y los fenómenos de muchos cuerpos cuya comprensión fundamental permanece oscura. [13] Niels Kjærgaard y su grupo han desarrollado un nuevo colisionador de partículas para realizar mediciones de física atómica de alta precisión . [62] Usan pinzas ópticas para capturar y colisionar pequeñas nubes de átomos ultrafríos para observar la dinámica cuántica de las colisiones a baja velocidad. [63] [64] [65] Los experimentos de Maarten Hoogerland con átomos de helio ultrafríos han llevado a mediciones muy precisas del tamaño, la absorción de color y la diferencia de energía entre los estados cuánticos de los átomos de helio. También han proporcionado pruebas para el modelo estándar de física de partículas. [66] [67] [68] [69] El teórico Ashton Bradley tiene un conocimiento avanzado de la turbulencia y los vórtices cuánticos y clásicos . [70] [71] [72] Los teóricos Blair Blakie y Danny Baillie predijeron correctamente la formación de gotitas estables de gas ultrafrío. [73] [74] [75] [76] [77]
Los gases fríos también están proporcionando un camino hacia la medición de precisión. [13] Mikkel Andersen y su grupo, por ejemplo, han desarrollado un gravímetro compacto de bajo costo basado en interferometría atómica . [78] [79] [80]
Información y manipulación cuántica
Mediante la observación precisa y el control de las interacciones entre fotones individuales de luz y átomos individuales, los investigadores están contribuyendo al desarrollo de tecnologías cuánticas como las computadoras cuánticas . [13] Los investigadores del Dodd-Walls Center, como Howard Carmichael y el homónimo del Centro, Dan Walls , ayudaron a sentar las bases teóricas de la óptica cuántica moderna y la tecnología cuántica. [81] La teoría de la trayectoria cuántica de Carmichael (QTT) , una forma del método del salto cuántico , proporciona una forma de predecir cómo se comportan los objetos cuánticos individuales cuando se observan. [82] En una colaboración reciente con la Universidad de Yale , Carmichael usó QTT para ayudar a revelar la naturaleza fundamental de los saltos cuánticos como suaves en lugar de instantáneos, [83] [84] [85] [86] un descubrimiento que podría ayudar a resolver el problema del error en computación cuántica . [87]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/96/Harald_Schwefel-5.png/220px-Harald_Schwefel-5.png)
Gran parte de la investigación se centra en el desarrollo de tecnologías habilitadoras para computadoras cuánticas, y varios investigadores se centran en permitir el transporte seguro de información cuántica a grandes distancias. El teórico Scott Parkins , en colaboración con el experimentalista japonés Takao Aoki , ha demostrado una red de computación cuántica en etapa inicial hecha de fibras ópticas que logra un entrelazamiento cuántico en distancias superiores a un metro. [8] [88] El experimentalista Maarten Hoogerland está trabajando en sistemas de computación cuántica similares basados en fibra óptica. [35] Harald Schwefel ha desarrollado una técnica para convertir fotones de microondas individuales en fotones ópticos utilizando resonadores dieléctricos en modo galería susurrante . Esto permitiría el uso de redes ópticas para transportar información cuántica entre computadoras cuánticas basadas en microondas. [89] [90] [91] [92] [93] Jevon Longdell también está desarrollando un método para convertir fotones de microondas individuales en fotones ópticos utilizando cristales dopados con iones de tierras raras. [94] Longdell también ha desarrollado un método para almacenar información cuántica en cristales dopados con iones de tierras raras que proporciona una solución de método mejorada para computadoras cuánticas. [95] [96] [97] [98] [99]
Mikkel Anderson ha desarrollado una técnica para producir átomos atrapados individualmente de manera confiable y consistente que se utiliza para controlar el movimiento y el estado cuántico de los átomos y unirlos para formar moléculas en experimentos ultraprecisos. [100] [101] [102] [103] [104] [105]
- Algunos investigadores del Dodd-Walls Center
David Hutchinson , director
Harald Schwefel
Cather Simpson
Howard Carmichael
Miro Erkintalo
Mikkel Andersen
John Harvey
Actividad comercial
La visión del Dodd-Walls Centre, según el director David Hutchinson , es contribuir al desarrollo de un ecosistema de empresas basadas en fotónica que se apoyan mutuamente y exportan al mundo. Hutchinson prevé que estas empresas proporcionen puestos de trabajo y estimulen la economía y la cultura de Nueva Zelanda centrándose en la creación de productos de alto valor a partir de materiales baratos. [106] El líder del equipo de la industria, John Harvey, y el miembro de la junta asesora de la industria, Simon Poole, fueron coautores de un informe, publicado en julio de 2020, que revisó las industrias de la fotónica en Nueva Zelanda y Australia; el informe estima que la industria fotónica de Nueva Zelanda tiene un valor de 1.200 millones de dólares neozelandeses. [107] [108] [109] [110]
El Centro Dodd-Walls tiene un equipo de desarrollo de la industria que se enfoca en resolver problemas específicos de la industria, crear dispositivos prototipo y desarrollar la investigación Dodd-Walls para la comercialización. [111] [112] [113] En 2017, el Centro Dodd-Walls colaboró con el Instituto MacDiarmid para ejecutar un "desafío de interfaz", donde las empresas de Nueva Zelanda plantearon problemas específicos a científicos, académicos e investigadores de los dos Centros de Excelencia en Investigación para ayudar a resolverlos. Participaron siete empresas de Nueva Zelanda, incluidas Fisher & Paykel Healthcare y Buckley Systems . [114] [115]
Empresas asociadas al Dodd-Walls Center
Las dos empresas de Cather Simpson , Engender y Orbis Diagnostics , surgieron de la investigación del Dodd-Walls Center. En 2016, Simpson ganó un Premio de Comercialización de Investigación KiwiNet por Orbis Diagnostics, que está desarrollando un método para clasificar los espermatozoides bovinos en machos y hembras utilizando pulsos de luz. [116] Simpson ha hablado públicamente sobre sus ideas sobre cómo las universidades pueden impulsar mejor la innovación y los beneficios económicos positivos para sus ciudades, regiones y países. También ha hablado de su visión de "transformar la Fábrica de Fotones en un" centro de innovación "próspero y de alto impacto. [117] El director David Hutchinson ha hablado públicamente sobre los posibles beneficios económicos para Nueva Zelanda del desarrollo de tecnologías y empresas derivadas. a través de la física cuántica y la fotónica. Él cree que esto "contrarrestará la fuga de cerebros científicos" al contribuir al "desarrollo de trayectorias profesionales para que las personas altamente capacitadas permanezcan en Nueva Zelanda". [118] [119]
El Dodd-Walls Centre se asocia con la empresa Southern Photonics, con sede en Auckland, que fue fundada en 2001 por John Harvey con tres de sus estudiantes para brindar oportunidades de alta tecnología a los graduados de doctorado. [120] Southern Photonics produce una gama de equipos de medición y prueba de pulsos ópticos para su uso en la industria de las telecomunicaciones y en los laboratorios de investigación académica e industrial de todo el mundo basándose en la investigación del Dodd-Walls Center. [121] La empresa Photonic Innovations, con sede en Dunedin, que produce equipos de detección de gases ultrasensibles, también se asocia con el Centro Dodd-Walls. [122] [123] [121]
Colaboraciones de la industria primaria
Según el director David Hutchinson, los científicos de Dodd-Walls están trabajando con las industrias de carne, lácteos, frutas y lana de Nueva Zelanda para agregar valor a los productos de exportación. "Al iluminar una muestra de material y analizar lo que se obtiene revela una gran cantidad de información sobre la estructura, función y calidad del material", dice Hutchinson. [106] Frederique Vanholsbeeck y otros investigadores del Dodd-Walls Center son parte de una colaboración con la industria cárnica de Nueva Zelanda junto con investigadores del Crown Research Institute AgResearch y otras universidades de Nueva Zelanda para desarrollar tecnologías para detectar bacterias (usando espectroscopía de fluorescencia) y medir la calidad de la carne. [124] [125] [126] [127] El becario de investigación postdoctoral Sam Hitchman ganó el Premio de la Secretaría Internacional de la Carne (IMS) para el talento joven en ciencia y tecnología de la carne en el Congreso Internacional de Ciencia y Tecnología de la Carne (ICoMST) en 2019. [ 128]
Tecnologias medicas
La tecnología médica es otro enfoque del Dodd-Walls Center. [106] Sara Miller de la Universidad de Otago está desarrollando una herramienta para diagnosticar la enfermedad celíaca y otras enfermedades gastrointestinales mediante espectroscopia láser, [32] y el estudiante de doctorado de la Universidad de Auckland, Simon Ashforth, está desarrollando herramientas para la cirugía ósea utilizando láseres de femtosegundo. Los científicos de Dodd-Walls también están trabajando en técnicas para detectar enfermedades oculares, quemaduras en la piel y varias otras afecciones. [106]
Alcance educativo
El Centro Dodd-Walls patrocina, organiza y ofrece una variedad de programas y actividades de divulgación educativa para los niños y las comunidades de Nueva Zelanda y la región del Pacífico. Estos incluyen visitas escolares [129], exposiciones itinerantes [130] y eventos. [131] Se enfocan en actividades científicas interactivas prácticas y frecuentemente se asocian con el Museo Otago , el Museo de Transporte y Tecnología y el Instituto MacDiarmid . [132] [133] [134] El objetivo del programa de divulgación es aumentar la diversidad de representación en las ciencias físicas en Nueva Zelandia en todos los niveles, desde la licenciatura hasta el profesorado universitario. [132] Se realizan esfuerzos para llegar a comunidades y grupos demográficos que tradicionalmente no se dedican a la ciencia, con especial énfasis en los maoríes y los isleños del Pacífico , [132] comunidades rurales [135] y mujeres y niñas. [136] Los programas son desarrollados e impartidos por estudiantes e investigadores voluntarios del centro junto con educadores dedicados al museo. En 2018, el Centro involucró a más de 13,000 personas en más de 82 eventos, desde charlas públicas sobre ondas gravitacionales hasta una feria científica del Día Internacional de la Luz. [133]
Año Internacional de la Luz de la UNESCO 2015
Los esfuerzos coordinados de divulgación del Dodd-Walls Centre comenzaron en 2015 cuando Cather Simpson asumió el cargo de copresidenta del Comité del Año Internacional de la Luz de Nueva Zelanda . Esta celebración, liderada por la UNESCO , buscó concienciar sobre la importancia de la luz y las tecnologías basadas en la luz en todas las facetas de nuestras vidas, ya sean económicas, artísticas o científicas. [137] Un equipo de investigadores y estudiantes de todo el Centro Dodd-Walls trabajó en colaboración con ocho museos en ciudades y pueblos pequeños de Nueva Zelanda para organizar actividades y eventos. [137] Fueron financiados por el gobierno de Nueva Zelanda bajo el programa Unlocking Curious Minds . A través del compromiso con los maoríes , la celebración recibió el nombre de Te Kōanga, la palabra maorí para la primavera. El programa incluyó concursos de arte y logotipos, un evento de lanzamiento en MOTAT , demostraciones prácticas de experimentos basados en la luz, oradores expertos, espectáculos de ciencia con temas de luz, pintura facial UV, experiencias inmersivas en 3-D, canciones y música inspiradas en la luz. sesiones de astronomía y un evento final en Otago. [137] El coordinador de extensión y estudiante de doctorado Andy Wang dirigió la creación de kits ópticos para llevar a casa de bajo costo para niños que contienen experimentos prácticos relacionados con la luz que se pusieron a disposición de decenas de miles de niños y jóvenes de Nueva Zelanda. [18] [137] Estas actividades iban desde bacterias fluorescentes hasta ópticas comestibles, y la caja en sí actuaba como un espectroscopio con experimentos interactivos. [137] [138] [139]
Desde 2015, los investigadores y estudiantes de Dodd-Walls han organizado eventos y actividades para el Día de la Luz anual de la UNESCO, que se celebra el 16 de mayo, aniversario de la primera operación exitosa del láser en 1960. [140] En 2020 estos incluyeron manos sobre eventos científicos para niños en el Museo Otago y el Centro Ellen Melville en Auckland. [141] [142] En 2019, Cather Simpson escribió un artículo y dio una charla para la UNESCO sobre el uso de tecnologías basadas en la luz para la agricultura sostenible. [143] [133] Simpson dice que el Día de la Luz anima al Centro Dodd-Walls a conectar su investigación de base con problemas globales de justicia social y sostenibilidad. [133]
Alcance a las islas del Pacífico y áreas remotas de Nueva Zelanda
En 2017, el centro comenzó una colaboración con el Museo Otago denominado "Ciencia extrema", un programa científico interactivo dirigido a las comunidades remotas y de difícil acceso de Nueva Zelanda. Con el apoyo del programa Unlocking Curious Minds del gobierno de Nueva Zelanda, un equipo de científicos, estudiantes y educadores de museos visitaron las islas Chatham y Pitt y ofrecieron una serie de actividades científicas interactivas a niños, familias y lugareños. El equipo presentó charlas, espectáculos y actividades interactivas en escuelas, centros comunitarios, un pub y Kopinga Marae . Instalaron un planetario portátil y regalaron un telescopio y un sismómetro para la comunidad. [144] [145]
Desde entonces, el programa Extreme Science se ha extendido a otras partes remotas de Nueva Zelanda, como East Cape , Fiordland , Stewart Island , West Coast , Bay of Islands y Great Barrier Island . [146] [147]
El Centro Dodd-Walls también ha sido parte de programas educativos de extensión a Niue , las Islas Cook , Tonga y Fiji organizados por el Museo Otago con fondos de la Embajada de los Estados Unidos , Air New Zealand y el Ministerio de Relaciones Exteriores y Comercio de Nueva Zelanda . [148] [149]
A través de la Universidad de Otago , el centro participa en un programa llamado Science Wananga, que se lleva a cabo en marae y tiene como objetivo establecer conexiones con las comunidades maoríes y crear oportunidades de aprendizaje para estudiantes y científicos de la escuela. Los temas de ciencia son elegidos por la comunidad y las escuelas y, a menudo, incluyen trabajo de campo y actividades prácticas. Participan investigadores universitarios y estudiantes de posgrado. Todos se quedan juntos en marae y por las tardes los kaumatua comparten sus conocimientos y ciencia tradicionales. [150] [151] [152]
Alentar a las mujeres y las niñas en la ciencia
Varias de las actividades de divulgación del centro se centran en abordar el desequilibrio de género en las ciencias físicas alentando a más niñas y mujeres a participar. El centro se asoció con el Museo Otago y el Instituto MacDiarmid para entregar un proyecto llamado Full STE (a) M Ahead que tenía como objetivo construir relaciones entre los jóvenes en la región de Dunedin y Southland con modelos a seguir y mentores involucrados en materias STEM . El programa incluye talleres, mesas redondas y una exposición de retratos titulada 100 mujeres, 100 palabras: posibilidades infinitas. La exposición tiene como objetivo cambiar la percepción de los jóvenes sobre quién es un científico: mostrará fotos de 100 mujeres nominadas por miembros de la comunidad, junto con una leyenda de cien palabras que describen el papel que STEM ha desempeñado en su vida. [153] [154]
El centro ha acogido y participado en una serie de actividades en torno al Día Internacional de la Mujer, incluida una serie de talleres para estudiantes y educadores en el Museo Otago en 2019 [155] y una charla de Cather Simpson para 200 estudiantes de secundaria en el Instituto Perimeter. conferencia anual "Inspiring Future Women in Science". [156] En 2018, organizaron un panel de discusión sobre el liderazgo de las mujeres en la ciencia y la industria para celebrar el 125 aniversario de que las mujeres obtuvieron el derecho al voto en Nueva Zelanda . [131]
Exposiciones de museos y colaboración artística
El centro Dodd-Walls contribuyó al desarrollo de la exposición científica Might Small Mighty Bright, que recorre Nueva Zelanda. Esta exposición, desarrollada en asociación con MOTAT , el Museo Otago y el Instituto MacDiarmid, invita a los visitantes a explorar la fotónica, los materiales avanzados y la nanotecnología a través de experimentos prácticos y ofrece ejemplos de las innovaciones de Nueva Zelanda. [157] El centro también participa en talleres interactivos que combinan física y artes teatrales. [158]
Referencias
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enlaces externos
- Sitio web del Dodd-Walls Center