Новости 17-01-2025

Астрономы наблюдают за формированием джетов черной дыры в реальном времени впервые.

Большая международная команда ученых наблюдала явление, которое астрономы никогда не ожидали увидеть в реальном времени. Результаты описаны в новой статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters под руководством Эйлин Мейер, доцента физики в UMBC.

Галактика, находящаяся примерно в 270 миллионах световых лет от Земли в созвездии Дракон, известная как 1ES 1927+654, является объектом беспокойства. На протяжении многих лет ученые классифицировали 1ES 1927+654 как «активное галактическое ядро», или AGN, что означает, что в его центре находится активная черная дыра. Эта конкретная черная дыра добавляла материал медленно — пока не начала это делать иначе.

В 2018 году черная дыра впервые попала в заголовки новостей, когда она внезапно увеличила свою активность в экспоненциальной степени. Она резко увеличила скорость потребления материала и стала более чем в 100 раз ярче в видимом спектре света за несколько месяцев. Такие изменения когда-то считались требующими гораздо больше времени, чем жизнь человека, на протяжении тысяч или миллионов лет. С тех пор ученые внимательно за ней наблюдали в поисках дополнительных интересных феноменов, и 1ES 1927+654 их не разочаровала.

Больше драматизма

После резкого увеличения активности, начавшегося в 2018 году, включая почти год очень высокого уровня рентгеновского излучения, черная дыра вновь успокоилась к 2020 году — только для того, чтобы снова резко увеличить свою активность в 2023 году. В это время она начала излучать радиоволны с интенсивностью в 60 раз выше предыдущей за считанные месяцы — поведения, которое никогда не контролировалось в реальном времени для сверхмассовых черных дыр.

Некоторые из самых высококачественных изображений излучения радиочастот были получены с использованием техники, известной как интерферометрия с очень длинной базой (VLBI). Она четко показывает пару направленных в противоположные стороны плазменных струй, образующихся около черной дыры и расширяющихся в течение 2023 — 2024 годов. Среди других необычных проявлений черной дыры это первое наблюдение формирования джетов в реальном времени.

В последние годы ученые открыли несколько сверхмассовых черных дыр, которые, по-видимому, излучают гораздо интенсивнее на радиочастотах по сравнению с теми моментами, когда они были впервые обнаружены, что они называют «AGN с изменяющимся внешним видом». Однако до сих пор все они наблюдались в два временных момента, разделенных годами или десятилетиями, и предполагалось, что «что-то произошло» в промежутке. Эта новая работа дает первый детальный взгляд на то, как такое изменение происходит.

Включение в реальном времени

В некоторых случаях джеты черных дыр «могут достигать огромных масштабов далеко за пределами родительской галактики. Они могут влиять на количество формирующихся звезд», говорит Мейер. Понять, как работают джеты, «это очень важно, чтобы понять общую картину того, как развивается вселенная и как формируются галактики».

В случае, описанном в новой статье, «У нас есть очень детальные наблюдения радиоджета, который 'включается' в реальном времени, и еще более захватывающими являются наблюдения VLBI, которые четко показывают, как эти плазменные комки движутся от черной дыры», говорит Мейер. «Это показывает нам, что это действительно струя плазмы, которая вызывает радиовспышку. Это не какой-то другой процесс, вызывающий увеличение радиовыхода. Это джет, движущийся, вероятно, со скоростью 20–30 процентов скорости света и образующийся очень близко к черной дыре. Это и есть захватывающая часть».

Сибасиш Лаха, научный сотрудник из UMBC в Центре космических наук и технологий и второй автор новой статьи, долго изучал AGN с изменяющимся внешним видом на рентгеновских длинах волн. У него возникло подозрение, что радиочастотное излучение 1ES 1927+654 также может продемонстрировать интересное поведение, и он обратился к Мейер, чтобы создать сотрудничество для изучения 1ES 1927+654 и других аналогичных галактик в 2020 году. Он является ведущим автором сопутствующей статьи, которая в настоящее время находится на рассмотрении. Она включает в себя дополнительные рентгеновские наблюдения и интерпретацию события формирования джета.

«Мы до сих пор не понимаем, как черные дыры и их родительские галактики взаимодействуют друг с другом и со-взаимодействуют в космическое время», говорит Лаха, «и это исследование впервые дает нам редкую возможность понять, как сверхмассовая черная дыра 'общается' с родительской галактикой».

Не для слабонервных

В такой работе время имеет решающее значение. «Астрономия временных интервалов», как это называется, «не для слабонервных», говорит Мейер. «Знаете ли, есть быстрые уведомления — что-то происходит, и вам нужно следить за этим. Вы должны на это реагировать, и неважно, полночь ли, вы должны отправить это сообщение, потому что знаете, что каждый час на счету. Это немного стрессово».

Проект стал "моментом всеобъемлющего внимания" для сотрудничества UMBC. Как только Мейер и Лаха увидели огромный скачок радиактивности в 2023 году, Мейер говорит: «Мы были как: 'Ух ты, хорошо, что-то происходит.' Это никогда раньше не видели. Мы были очень взволнованы, поэтому это привело к тому, что мы пытались подключить каждый радиотелескоп и заставить его направить свое внимание на этот источник».

Поскольку 1ES 1927+654 так быстро менялась на их глазах, команде были предоставлены новые незапланированные наблюдения на телескопах по всему миру в течение исследовательского периода, когда, как правило, время на телескопах должно планироваться за месяцы или годы вперед.

Послепостдокторантура, работающий с Мейер, Оник Шуво, который является третьим автором статьи, взял на себя основную часть ночных дежурств, быстро

Источник:: Astronomers observe real-time formation of black hole jets for the first time

NASA отмечает открытие нового вселенной Эдвина Хаббла.

Для людей самой важной звездой во вселенной является наше Солнце. Второй по важности звездой является та, что находится внутри галактики Андромеды. Не стоит её искать — эта мерцающая звезда находится на расстоянии 2,2 миллиона световых лет и обладает яркостью 1/100 000 от яркости самой тусклой звезды, видимой невооруженным глазом.

Тем не менее, сто лет назад её открытие Эдвином Хабблом, который тогда работал астрономом в Обсерваториях Карнеги, открыло людям глаза на огромное пространство вселенной и показало, что наша галактика Млечный Путь — лишь одна из сотен миллиардов галактик во вселенной, что стало началом нового этапа развития человечества как любопытного вида, способного научным образом размышлять о своём собственном происхождении через послания звездного света. Научный центр Карнеги и NASA отмечают эту годовщину на 245-й встрече Американского астрономического общества в Вашингтоне, округ Колумбия.

Кажется, ничем не примечательная звезда, просто названная V1, открыла ящик Пандоры, полный тайн о времени и пространстве, которые до сих пор ставят астрономов в затруднительное положение. Используя самый большой телескоп в мире на тот момент, 100-дюймовый телескоп Хукера, финансируемый Карнеги в обсерватории на горе Уилсон в Калифорнии, Хаббл обнаружил эту скромную звезду в 1923 году. Этот редкий тип пульсирующей звезды, называемой цефеидой, используется в качестве маркеров расстояния для далеких небесных объектов. В космосе нет рулеток, но к началу 20-го века Генриетта Сван Левитт показала, что период пульсации цефеид напрямую связан с их светимостью.

Многие астрономы долгое время считали, что край Млечного Пути обозначает край всей вселенной. Однако Хаббл определил, что V1, находящаяся внутри "туманности" Андромеды, находилась на расстоянии, которое значительно превышает всё в нашей собственной галактике. Это привело Хаббла к потрясающему осознанию, что вселенная простирается далеко за пределы нашей галактики.

На самом деле, Хаббл подозревал, что в космосе существует более широкая вселенная, но вот она, доказательство. Он был так удивлён, что на фотопластинке Андромеды, где была указана переменная звезда, нарисовал восклицательный знак.

В результате наука о космологии взорвалась почти за одну ночь. Современник Хаббла, выдающийся астроном Гарварда Харлоу Шепли, после того как Хаббл уведомил его об открытии, был лишён сил. "Вот письмо, которое разрушило мою вселенную", — сокрушался он перед своей коллегой, астрономом Сесилией Пейн-Гапошкиной, которая находилась в его офисе, когда он открыл сообщение Хаббла.

Всего три года назад Шепли представил своё наблюдательное толкование гораздо меньшей вселенной в дебатах однажды вечером в Смитсоновском музее естественной истории в Вашингтоне. Он утверждал, что галактика Млечный Путь столь велика, что она должна охватывать всю вселенную. Шепли настаивал, что загадочные нечеткие "спиральные туманности", такие как Андромеда, представляют собой просто звёзды, формирующиеся на периферии нашего Млечного Пути, и не имеют значения.

Маловероятно, что Хаббл мог бы представить, что через 70 лет телескоп, названный в его честь и находящийся на высоте сотен миль над Землей, продолжит его наследие. Этот замечательный телескоп сделал "Хаббл" общеизвестным термином, синонимом удивительной астрономии.

Сегодня Космический телескоп Хаббла NASA расширяет границы знания более чем в 10 раз дальше, чем когда-либо мог видеть Эдвин Хаббл. Космический телескоп приоткрыл завесу над увлекательной вселенной, полной активных звёзд, сталкивающихся галактик и мчащихся чёрных дыр, среди небесных фейерверков взаимодействия материи и энергии.

Эдвин Хаббл стал первым астрономом, который сделал первые шаги, которые в конечном итоге привели к созданию Космического телескопа Хаббла, открывающего, кажется, бесконечный океан галактик. Он полагал, что, несмотря на их множество, галактики имеют всего лишь несколько специфических форм: спирали в форме винтовой лестницы, эллипсоида в форме футбольного мяча и странные неправильные галактики. Он думал, что это могли бы быть подсказки к эволюции галактик — но ответу пришлось ждать легендарного глубокого поля Хаббла в 1994 году.

Самым значительным открытием, которое показал анализ Эдвина Хаббла, было то, что чем дальше галактика, тем быстрее она, по-видимому, уходит от Земли. Вселенная выглядела так, словно она расширяется как воздушный шар. Это основано на том, что Хаббл сопоставил расстояния до галактик с красным смещением света — редшифтом — который пропорционально увеличивался, чем дальше удалялись галактики.

Данные о редшире впервые собрал астроном Обсерватории Лоуэлла Весто Слайфер, который спектроскопически исследовал "спиральные туманности" за десятилетие до Хаббла. Слайфер не знал, что они экстрагалактические, но Хаббл сделал эту связь. Слайфер первым истолковал свои данные о редшире как пример эффекта Доплера. Это явление возникает, когда свет растягивается до более длинных, красных волн, если источник удаляется от нас. Слайферу показалось любопытным, что все спиральные туманности, казалось, удаляются от Земли.

За два года

Источник:: NASA celebrates Edwin Hubble's discovery of a new universe

Автоматизированный метод для выявления распространенного расстройства сна, затрагивающего миллионы людей

Команда исследователей во главе с Mount Sinai усовершенствовала алгоритм на базе искусственного интеллекта (AI) для анализа видеозаписей клинических тестов на сон, что в конечном итоге улучшает точность диагностики распространенного расстройства сна, затрагивающего более 80 миллионов человек по всему миру. Результаты исследования были опубликованы в журнале Annals of Neurology 9 января.

Расстройство поведения в фазе быстрого сна (RBD) — это состояние сна, которое вызывает аномальные движения или физическое проявление снов во время фазы быстрого движения глаз (REM). RBD, возникающее у в остальном здоровых людей, называется "изолированным" RBD. Оно затрагивает более одного миллиона человек в Соединенных Штатах и в почти всех случаях является ранним признаком болезни Паркинсона или деменции.

Диагностировать RBD крайне сложно, так как его симптомы могут оставаться незамеченными или путаться с другими болезнями. Окончательная диагностика требует проведения полисомнографического исследования, известного как видеополисомнограмма, медицинским работником в учреждении с технологиями мониторинга сна. Данные также являются субъективными и могут быть сложно интерпретируемыми из-за множества и сложных переменных, включая стадии сна и уровень мышечной активности. Хотя видеоданные систематически записываются во время теста на сон, они редко просматриваются и частоDiscard после интерпретации теста.

Предыдущие ограниченные работы в этой области предполагали, что могут понадобиться исследовательские 3D-камеры для выявления движений во время сна, так как простыни или одеяла могут закрывать активность. Это исследование стало первым, которое описывает разработку автоматизированного метода машинного обучения, анализирующего видеозаписи, регулярно собираемые с помощью 2D-камер во время ночных тестов на сон. Этот метод также определяет дополнительные "классификаторы" или признаки движений, что дает точность выявления RBD почти в 92 процента.

"Этот автоматизированный подход может быть интегрирован в клинический поток во время интерпретации тестов на сон, чтобы улучшить и упростить диагностику и избежать пропуска диагнозов," — сказал автор-респондент Эммануэль Дьюринг, доктор медицинских наук, доцент неврологии (двигательных расстройств) и медицины (пульмонология, интенсивная терапия и медицина сна) в школе медицины Икана при Mount Sinai. "Этот метод также может быть использован для информирования решений по лечению на основе степени проявления движений во время тестов на сон и, в конечном итоге, помочь врачам персонализировать планы лечения для отдельных пациентов."

Команда Mount Sinai повторила и расширила предложение об автоматизированном анализе движений с помощью машинного обучения во время исследований сна, созданное исследователями Медицинского университета Инсбрука в Австрии. Этот подход использует компьютерное зрение, область искусственного интеллекта, которая позволяет компьютерам анализировать и понимать визуальные данные, включая изображения и видео. Основываясь на этой структуре, эксперты Mount Sinai использовали 2D-камеры, которые обычно присутствуют в клинических лабораториях сна, для мониторинга сна пациентов на ночь. Набор данных включал анализ записей из центра сна, охватывающий около 80 пациентов с RBD и контрольную группу из около 90 пациентов без RBD, которые имели либо другое расстройство сна, либо никаких нарушений сна. Автоматизированный алгоритм, который вычислял движение пикселей между последовательными кадрами видео, смог обнаружить движения во время REM-сна. Эксперты проанализировали данные, чтобы извлечь уровень, соотношение, величину и скорость движений, а также отношение неподвижности. Они проанализировали эти пять характеристик коротких движений, чтобы достичь наивысшей точности на сегодняшний день среди исследователей, составив 92 процента.

Исследователи из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) внесли вклад в исследование, поделившись своим опытом в области компьютерного зрения.

Источник:: Automated method to detect common sleep disorder affecting millions

Новости 16-01-2025

Инженеры разработали прорывной метод для алюминиевых поверхностей, позволяющий продвигать технологии охлаждения, самоочистки и борьбы с обледенением.

Международная группа инженеров разработала инновационный, масштабируемый метод создания алюминиевых поверхностей с топографией, улучшающим свойства транспорта жидкости, что критически важно для применения в охлаждении электроники, технологиях самоочистки и системах борьбы с обледенением. Исследование, недавно опубликованное в журнале Langmuir и проведенное группами из Университета Райса и Университета Эдинбурга в рамках программы стратегического сотрудничества Райса и Эдинбурга, демонстрирует, как экономичные технологии винилового маскирования могут производить поверхности с высоким разрешением контраста смачивания, открывая новые возможности для улучшения приложений передачи тепла с изменением фазы.

Исследовательская группа разработала новый метод с использованием винилового маскирования с резкой лезвием и коммерчески доступной лакировой смолы, совмещенного со scalable (масштабируемыми) физическими и химическими обработками поверхности для создания паттернованных алюминиевых поверхностей. Эти поверхности демонстрируют отчетливый контраст смачивания, значительно улучшая сбрасывание капель во время конденсации. Паттерны с размерами особенностей всего 1,5 мм предлагают широкий спектр поведения смачивания — от супергидрофобных до гидрофильных — в зависимости от обработки.

"Этот метод представляет собой важный шаг в области специализированного инженерии поверхностей," сказал Дэниел Дж. Престон, ассистент профессора машиностроения в Райсе и сопервумный автор статьи вместе с Джеффом Уэмером, ассистентом профессора машиностроения в Райсе, и Дэниелем Орехоном из Университета Эдинбурга. "Предоставляя точный контроль над смачиванием поверхности и тепловыми свойствами, мы открываем новые двери для масштабируемого производства передовых поверхностей передачи тепла."

В исследовании была применена многопроцессная методология для разработки и анализа паттернованных алюминиевых поверхностей. Сначала виниловые маски были нанесены на полированные алюминиевые подложки, за которыми следовал двухступенчатый процесс травления, который создал микро- и нанотекстурированные зоны. Затем команда использовала передовые методы визуализации для характеристики разрешения и свойств смачивания паттернов. Для оценки производительности эксперименты по визуализации конденсации продемонстрировали улучшенное сбрасывание капель на паттернованных поверхностях по сравнению с однородными. Кроме того, картирование тепловой эмиссии с использованием инфракрасной термографии показало значительные контрасты в эмиссии между гладкими и текстурированными регионами, подчеркивая потенциал поверхностей для передовых приложений в области теплового управления.

"Аллюминий широко используется в устройствах теплового управления, таких как теплообменники, из-за своей высокой проводимости, низкой плотности и низкой стоимости," сказал Уэмер. "Наш метод добавляет новое измерение к его функциональности, интегрируя паттернование поверхности, которое является как экономически целесообразным, так и масштабируемым, позволяя инженерам точно настраивать передачу тепла при конденсации. Эта работа объединила экспертизу из Эдинбурга и Райса для разработки и характеристики этих передовых поверхностей."

Результаты имеют значительные последствия для отраслей, зависимых от передачи тепла с изменением фазы с применением в повседневных технологиях. В охлаждении электроники улучшенное сбрасывание капель снижает тепловые сопротивления, возникающие от крупных капель во время конденсации, что может позволить новые стратегии охлаждения для серверов в центрах обработки данных или других электронных устройств, которые зависят от эффективного рассеивания тепла, чтобы предотвратить перегрев. Специализированные паттерны тепловой эмиссии оптимизируют рассеивание тепла в высокотемпературных условиях, принося пользу таким системам, как автомобильные двигатели и компоненты аэрокосмической техники. Кроме того, супергидрофобные регионы ускоряют удаление воды, предотвращая образование льда на критических поверхностях, таких как крылья самолетов, ветряные турбины и линии электропередач в условиях заморозков. Эти достижения предлагают практические решения для повышения производительности и надежности технологий, которые люди используют и на которые полагаются каждый день.

"Традиционные методы, такие как фоторезистография, обычно дороги и ограничены небольшими площадями," сказал Престон. "Наш метод использует доступные и экономичные материалы для создания сложных паттернов на более крупных поверхностях, что делает его подходящим для промышленных применений и перспективной техникой для проектирования конденсаторов и теплообменников нового поколения."

Ведущими авторами работы являются Тревор Симокусу (докторант по машиностроению в Райсе, сейчас член факультета Университета Гавайи) и Хемиш Таккар (выпускник Райса с двойной специализацией в области химии и машиностроения, сейчас аспирант в Университете Принстона).

Эта работа была поддержана программой стратегического сотрудничества Райса и Эдинбурга, наградой NASA Space Technology Graduate Research Opportunities и грантами от Национального научного фонда.

Источник:: Engineers develop breakthrough method for aluminum surfaces, enabling advancements in cooling, self-cleaning and anti-icing technologies

Когда прошлое встречается с будущим: Инновационное беспилотное картографирование раскрывает секреты бронзового века «мега-крепости» на Кавказе.

Академик Кранфилдского университета в Великобритании использовал беспилотное картографирование для изучения 3000-летней «мега-крепости» в Кавказских горах. Доктор Натанэль Эрб-Сатулло, старший преподаватель архитектурной науки в Кранфилдском судебном институте, исследует данный объект с 2018 года совместно с Дмитрием Джацвлиани, своим со-директором из Грузинского национального музея, раскрывая детали, которые изменяют наше понимание данного места и способствуют глобальной переоценке роста древних поселений и урбанизма.

Крепостные поселения в Южном Кавказе появились между 1500 и 500 годами до нашей эры и представляют собой беспрецедентное развитие в предыстории этих регионов. Расположенный на границе между Европой, Евразийской степью и Ближним Востоком, Кавказ имеет долгую историю как культурный перекресток с характерными местными идентичностями.

Исследование крепости, названной Дманиси Гора, началось с пробных раскопок на укрепленном мысе между двумя глубокими ущельями. Последующий визит осенью, когда высокие летние травы высохли, показал, что объект намного больше, чем предполагалось изначально. Расположенные на огромной площади за пределами внутренней крепости были обнаружены остатки дополнительных стен укреплений и других каменных сооружений. Из-за своего размера было невозможно получить общее представление о объекте с земли.

«Это и дало толчок идее использовать беспилотник для оценки места с высоты», — прокомментировал доктор Эрб-Сатулло. «Беспилотник сделал почти 11,000 снимков, которые были объединены с помощью современных программ для создания цифровых моделей высот и ортофотографий — составные изображения, которые показывают каждую точку, как если бы вы смотрели прямо вниз.

«Эти наборы данных позволили нам выявить тонкие топографические особенности и создать точные карты всех стен укрепления, захоронений, полевых систем и других каменных структур внутри внешнего поселения. Результаты этого обследования показали, что объект более чем в 40 раз больше, чем изначально предполагалось, включая большое внешнее поселение, защищенное стеной укрепления длиной 1 км».

Исследовательская группа использовала беспилотник DJI Phantom 4 RTK, который может обеспечить относительную позиционную точность менее 2 см, а также изображения с очень высокой разрешающей способностью. Чтобы получить высокоточную карту искусственно созданных объектов, команда тщательно проверила каждую особенность на воздушных снимках для подтверждения ее идентификации.

Чтобы понять, как изменялся ландшафт объекта, ортофотографии сравнивались с 50-летними фотографиями, сделанными шпионским спутником времён Холодной войны, рассекреченным в 2013 году. Это дало исследователям необходимую информацию о том, какие особенности были недавними, а какие — старыми. Это также позволило оценить, какие участки древнего поселения были повреждены современной сельскохозяйственной деятельностью. Все эти наборы данных были объединены в программном обеспечении Географической информационной системы (ГИС), что помогло выявить паттерны и изменения в ландшафте.

«Использование беспилотников позволило нам понять значимость объекта и задокументировать его таким образом, что просто невозможно было бы сделать с земли», — сказал доктор Эрб-Сатулло. «Дманиси Гора — это не просто значительная находка для Южного Кавказа, но и имеет более широкое значение для разнообразия структуры крупных поселений и их процессов формирования. Мы предполагаем, что Дманиси Гора расширилась благодаря взаимодействию с мобильными пасторальными группами, и большое внешнее поселение могло сезонно расширяться и сжиматься. Теперь, когда объект был полностью обследован, дальнейшее изучение начнет предоставлять новые данные о таких областях, как плотность и интенсивность населения, миграции скота и сельскохозяйственная практика и многие другие аспекты».

Эти данные откроют исследователям новые горизонты в понимании обществ позднего бронзового и раннего железного века и того, как эти общины функционировали. С момента завершения воздушного обследования доктор Эрб-Сатулло проводит дальнейшие раскопки на объекте, обнаруживая десятки тысяч фрагментов керамики, костей животных и других артефактов, которые рассказывают больше о обществе, построившем эту крепость.

Эта работа была профинансирована Фондом Герды Хенкель, Фондом Джеральда Эвери Уэйнрайта и Британским институтом в Анкаре.

Источник:: When the past meets the future: Innovative drone mapping unlocks secrets of Bronze Age 'mega fortress' in the Caucasus

Ведение автономных транспортных средств к более эффективному будущему

Благодаря быстрому прогрессу в области информационных технологий и искусственного интеллекта, автономные транспортные средства (АТС) начали активно развиваться. На самом деле, технологии АТС настолько продвинулись, что эти транспортные средства уже используются для логистических доставок и общественного транспорта на низких скоростях.

Хотя большая часть исследований сосредоточена на алгоритмах управления для повышения безопасности, меньше внимания уделяется улучшению аэродинамических характеристик, что важно для снижения расхода энергии и увеличения запаса хода. В результате проблемы аэродинамического сопротивления мешают автономным транспортным средствам развивать такую же скорость, как и обычные автомобили.

В журнале Physics of Fluids, издаваемом AIP Publishing, исследователи из Университета технологий Ухань в Ухане, Китай, сосредоточились на повышении аэродинамической эффективности АТС, снижая сопротивление, вызываемое внешними датчиками, такими как камеры и инструменты дистанционного зондирования лазером (LiDAR), которые необходимы для функционирования АТС.

"Внешние датчики значительно увеличивают аэродинамическое сопротивление, особенно увеличивая долю интерференционного сопротивления в общем аэродинамическом сопротивлении," - сказал автор Япин Ван. "Учитывая эти факторы — взаимодействия между датчиками и влияние геометрических размеров на интерференционное сопротивление — крайне важно провести комплексную оптимизацию датчиков на этапе проектирования."

Исследователи использовали комбинацию вычислительных и экспериментальных методов. После создания автоматизированной вычислительной платформы они объединили экспериментальный дизайн с заменяющей моделью и алгоритмом оптимизации для улучшения структурных форм датчиков АТС. Наконец, они выполнили симуляции как базовой, так и оптимизированной моделей, анализируя влияние сокращения сопротивления и рассматривая улучшения аэродинамических характеристик оптимизированной модели. Они использовали эксперимент в аэродинамической трубе, чтобы подтвердить надежность своих выводов.

После оптимизации дизайна исследователи обнаружили снижение общего аэродинамического сопротивления АТС на 3,44%. По сравнению с базовой моделью, оптимизированная модель снизила коэффициент аэродинамического сопротивления на 5,99% в симуляциях и значительно улучшила аэродинамические характеристики в неуравновешенных симуляциях.

Команда также заметила улучшения в потоке воздуха, с меньшим уровнем турбулентности вокруг датчиков и лучшим распределением давления на задней части транспортного средства.

"Смотря в будущее, наши выводы могут оказать влияние на проектирование более аэродинамически эффективных автономных транспортных средств, позволяя им преодолевать большие расстояния," - сказал Ван. "Это особенно важно, поскольку внедрение автономных транспортных средств возрастает, не только в пассажирских перевозках, но и в приложениях доставки и логистики."

Источник:: Driving autonomous vehicles to a more efficient future

Новости 15-01-2025

Плавающие солнечные панели могут поддержать энергетические цели США

Федеральные водохранилища могут помочь удовлетворить потребности страны в солнечной энергии, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Solar Energy.

В рамках исследования Эван Розенлиб и Мари Риверс, геопространственные ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США (NREL), а также Аарон Левин, старший аналитик в области права и регулирования в NREL, впервые количественно оценили, сколько энергии может быть произведено от проектов плавающих солнечных панелей, установленных на федеральных водохранилищах или под их контролем. (Разработчики могут найти конкретные детали для каждого водохранилища на сайте AquaPV.)

И потенциал удивительно велик: водохранилища могут разместить достаточно плавающих солнечных панелей для генерации до 1,476 триллионов ватт-часов, что хватит для обеспечения электроэнергией примерно 100 миллионов домов в год.

«Это технический потенциал», — сказал Розенлиб, имея в виду максимальное количество энергии, которое может быть сгенерировано, если в каждом водохранилище будет максимально возможное количество плавающих солнечных панелей. «Мы знаем, что не сможем разработать всё это. Но даже если вы сможете разработать 10% из того, что мы определили, это будет большим шагом вперед.»

Левин и Розенлиб еще не рассмотрели, как деятельность человека и диких животных может повлиять на развитие плавающей солнечной энергии на конкретных водохранилищах. Однако они планируют учесть это ограничение в будущих работах.

Это исследование предоставляет гораздо более точные данные о потенциале плавающих солнечных панелей в Соединенных Штатах. И эта точность может помочь разработчикам проще планировать проекты на водохранилищах США и помочь исследователям лучше оценивать, как эти технологии вписываются в более широкие энергетические цели страны.

Плавающие солнечные панели, также известные как плавающая PV, имеют много преимуществ: эти плавающие электростанции не только вырабатывают электроэнергию, но и не конкурируют за ограниченные земельные ресурсы. Они также затеняют и охлаждают водоемы, что помогает предотвращать испарение и сохранять ценные водные запасы.

«Но мы не наблюдали никаких крупных установок, как, например, на большом водохранилище», — сказал Левин. «В Соединенных Штатах у нас нет ни одного проекта мощностью более 10 мегаватт.»

Предыдущие исследования пытались количественно оценить, сколько энергии страна могла бы получить от плавающих солнечных панелей. Но Левин и Розенлиб стали первыми, кто рассмотрел, какие водные источники имеют подходящие условия для поддержки таких электростанций.

В некоторых водохранилищах, например, судоходное движение создает волны, которые могут повредить швартовные линии или повлиять на плавающую инфраструктуру. Другие водоемы слишком холодные, слишком мелкие или имеют слишком крутые дно для надежного крепления солнечных панелей.

Тем не менее, некоторые водохранилища для гидроэлектростанций могут стать идеальными местами для плавающих солнечных электростанций. Гибридная энергетическая система, использующая солнечную и гидроэнергию, может предоставить более надежную и устойчивую энергию для энергетической сети. Если, например, засуха истощает водохранилище гидроэлектростанции, солнечные панели могут генерировать энергию, пока станция приостанавливает свою работу, чтобы позволить воде восполниться.

Кроме того, для строительства новых проектов по накоплению гидроэнергии — которые перекачивают воду из одного водохранилища в другое на более высокую отметку для хранения и генерации энергии по мере необходимости — некоторые разработчики создают совершенно новые водоемы. Эти новые водохранилища не связаны с естественно текущими реками, и никто из людей или животных не зависит от них для отдыха, обитания или источников питания (по крайней мере, пока).

В будущем исследователи планируют рассмотреть, какие места находятся рядом с линиями передачи или спросом на электроэнергию, сколько может стоить развитие на конкретных участках, следует ли избегать определенных мест для защиты местной экологии и как разработчики могут учитывать государственные и федеральные правила. Команда также хотела бы оценить еще больше потенциальных мест, включая другие, менее крупные водохранилища, эстуарии и даже океанские площадки.

Исследование было профинансировано Офисом солнечных энергетических технологий и Офисом технологий водной энергии в Офисе энергетической эффективности и возобновляемых источников энергии (EERE) Министерства энергетики США.

Источник:: Floating solar panels could support US energy goals

Телескоп Хаббл NASA отслеживает "синего скрытника" среди звезд.

Название "синий скрытник" может звучать как злодейский персонаж из супергеройского фильма. Но это редкий класс звезды, который исследовал космический телескоп Хаббл NASA, заглянув глубоко в открытое звездное скопление M67, расположенное примерно в 2800 световых годах от Земли.

Анализ данных Хаббла показывает, что звезда пережила бурную жизнь, взаимодействуя с двумя другими звездами, которые гравитационно связаны друг с другом в замечательной тройной системе. Эта звезда родственна так называемым "синим страгглерам" (blue stragglers), которые горячее, ярче и синие, чем ожидалось, поскольку они, вероятно, являются результатом слияния звезд.

Синий скрытник вращается значительно быстрее, чем ожидалось, что явилось необычным поведением, приведшим к его идентификации. В остальном он выглядит как обычная звезда, похожая на Солнце. Термин "синий" немного вводит в заблуждение, поскольку цвет звезды сливается со всеми другими звездами солнечной массы в скоплении. Следовательно, он как бы "скрывается" среди обычного звёздного населения.

Скорость вращения является доказательством того, что скрытник, вероятно, заимствовал материал у звезды-соседа, что привело к увеличению его вращательной скорости. Высокая скорость вращения звезды была обнаружена с помощью вышедшего из эксплуатации космического телескопа Кеплер NASA. В то время как обычные звезды, похожие на Солнце, обычно делают один полный оборот за около 30 дней, скрытник делает это всего за четыре дня.

Как синий скрытник оказался таким, является "суперсложной эволюционной историей," сказала Эмили Лейнер из Иллинойсского технологического института в Чикаго. "Эта звезда действительно интересна, потому что она является примером звезды, которая взаимодействовала в тройной звездной системе." Изначально синий скрытник вращался медленнее и находился на орбите бинарной системы, состоящей из двух звезд, похожих на Солнце.

Около 500 миллионов лет назад две звезды в этой бинарной системе слились, создав одну, гораздо более массивную звезду. Этот гигант вскоре увеличился до состояния гигантской звезды, сбросив часть своего материала на синего скрытника и увеличив его вращение в процессе. Сегодня мы наблюдаем, что синий скрытник вращается вокруг белого карлика -- выгоревшего остатка массивного слияния.

"Мы знаем, что такие многозвёздные системы довольно распространены и приводят к действительно интересным результатам," объяснила Лейнер. "Но у нас еще нет модели, которая может надежно связывать все эти стадии эволюции. Тройные звездные системы составляют около 10 процентов населения звёзд, похожих на Солнце. Однако собирать эту эволюционную историю сложно."

Хаббл наблюдал белую карликовую звезду - спутник, вокруг которого вращается скрытник. С помощью ультрафиолетовой спектроскопии Хаббл обнаружил, что белый карлик очень горячий (как высокая температура в 23,000 градусов по Фаренгейту, или примерно в три раза выше температуры поверхности Солнца) и тяжелый - 0.72 солнечных массы. Согласно теории, горячие белые карлики в M67 должны иметь массу всего лишь около 0.5 солнечных масс. Это является доказательством того, что белый карлик является побочным продуктом слияния двух звезд, которые когда-то входили в состав тройной звездной системы.

"Это одна из немногих тройных систем, о которой мы можем рассказать такую детальную историю о том, как она развивалась," сказала Лейнер. "Тройные системы становятся потенциально очень важными для создания интересных, взрывных конечных продуктов. Это действительно необычно - иметь возможность установить ограничения для такой системы, которую мы исследуем."

Результаты Лейнер будут представлены на 245-й встрече Американского астрономического общества в Вашингтоне, округ Колумбия.

Источник:: NASA's Hubble tracks down a 'blue lurker' among stars

Новый ИИ предсказывает внутренние процессы клеток.

Так же, как ChatGPT понимает человеческий язык, новая модель ИИ, разработанная вычислительными биологами Колумбийского университета, захватывает язык клеток, чтобы точно предсказать их активность.

Используя новый метод искусственного интеллекта, исследователи Колумбийского университета имени Вагелоса, колледжа врачей и хирургов, могут точно предсказывать активность генов в любой человеческой клетке, по сути, раскрывая внутренние механизмы клетки. Система, описанная в текущем номере журнала Nature, может изменить подход ученых к пониманию всего, от рака до генетических заболеваний.

"Прогнозируемые обобщаемые вычислительные модели позволяют быстро и точно выявлять биологические процессы. Эти методы могут эффективно проводить крупномасштабные вычислительные эксперименты, усиливая и направляя традиционные экспериментальные методы", — говорит Рауль Рабадан, профессор системной биологии и старший автор новой статьи.

Традиционные методы исследований в биологии хороши для выявления того, как клетки выполняют свои функции или реагируют на нарушения. Но они не могут делать прогнозы о том, как клетки работают или как клетки отреагируют на изменения, такие как мутация, вызывающая рак.

"Способность точно предсказывать активность клетки изменит наше понимание фундаментальных биологических процессов", — говорит Рабадан. "Это превратит биологию из науки, которая описывает, на первый взгляд, случайные процессы, в науку, которая может предсказывать основные системы, управляющие поведением клеток."

В последние годы накопление огромного количества данных о клетках и более мощные модели ИИ начинают превращать биологию в более предсказательную науку. Нобелевская премия по химии 2024 года была присуждена исследователям за их новаторскую работу по использованию ИИ для предсказания структур белков. Однако использование методов ИИ для прогнозирования активности генов и белков внутри клеток оказалось более сложным.

Новый метод ИИ предсказывает экспрессию генов в любой клетке

В новом исследовании Рабадан и его коллеги попытались использовать ИИ для предсказания, какие гены активны в конкретных клетках. Такая информация об экспрессии генов может рассказать исследователям о природе клетки и о том, как клетка выполняет свои функции.

"Предыдущие модели были обучены на данных конкретных типов клеток, обычно клеточных линиях рака или чем-то другим, что имеет малое сходство с нормальными клетками", — говорит Рабадан. Си Фу, аспирант в лаборатории Рабадана, решил подойти к задаче иначе, обучив модель машинного обучения на данных об экспрессии генов из миллионов клеток, полученных из нормальных человеческих тканей. Входные данные состояли из последовательностей генома и данных, показывающих, какие части генома доступны и экспрессируемы.

В целом подход напоминает работу ChatGPT и других популярных "фундаментальных" моделей. Эти системы используют набор обучающих данных для выявления основных правил, грамматики языка, а затем применяют эти выведенные правила к новым ситуациям. "Здесь все то же самое: мы изучаем грамматику во многих разных клеточных состояниях, а затем переходим к конкретному состоянию — это может быть больная или нормальная клетка — и мы можем попытаться увидеть, насколько хорошо мы предсказываем закономерности из этой информации", — говорит Рабадан.

Фу и Рабадан вскоре привлекли команду соавторов, включая соавторов первой степени Алехандро Буэндия, который сейчас является аспирантом Стэнфорда, ранее работавшего в лаборатории Рабадана, и Шентонга Мо из Университета Карнеги Меллона, для обучения и тестирования новой модели.

После обучения на данных более чем 1,3 миллиона человеческих клеток система стала достаточно точной, чтобы предсказывать экспрессию генов в типах клеток, которые она никогда не видела, показывая результаты, которые были близки к экспериментальным данным.

Новые методы ИИ выявляют факторы детерминации педиатрического рака

Затем исследователи продемонстрировали возможность своей системы ИИ, когда попросили её раскрыть скрытую биологию больных клеток, в данном случае наследственную форму педиатрической лейкемии.

"Эти дети унаследовали мутацию в гене, и было неясно, что именно делают эти мутации", — говорит Рабадан, который также совместно руководит исследовательской программой по геномике и эпигеномике рака в Комплексном онкологическом центре имени Герберта Ирвинга при Колумбийском университете.

С помощью ИИ исследователи предсказали, что мутации нарушают взаимодействие между двумя различными факторами транскрипции, которые определяют судьбу лейкемических клеток. Лабораторные эксперименты подтвердили предсказание ИИ. Понимание влияния этих мутаций выявляет конкретные механизмы, которые приводят к этому заболеванию.

ИИ может раскрыть "темную материю" в геноме

Новые вычислительные методы также должны позволить исследователям начать изучение роли "темной материи" генома — термина, заимствованного из космологии, который относится к подавляющему большинству генома, не кодирующему известные гены — в раке и других заболеваниях.

"Подавляющее большинство мутаций, найденных у пациентов с раком, находится в так называемых темных участках генома. Эти мутации не влияют на функцию белка и остаются в основном не исследованными", — говорит Рабадан. "Идея в том, что, используя эти модели, мы можем исследовать мутации и осветить эту часть генома."

Уже сейчас Рабадан работает с исследователями в Колумбии и других университетах, исследуя различные раки, от рака мозга до рака крови, изучая грамматику регуляции в нормальных клетках и то, как клетки меняются в процессе развития рака.

Эта работа также открывает новые пути для понимания многих заболеваний помимо рака и потенциального выявления целей для новых методов лечения. Представляя новые мутации компьютерной модели, исследователи теперь могут получить глубокие знания и прогнозы о том, как именно эти мутации влияют на клетку.

Следуя за другими недавними достижениями в области искусственного интеллекта для биологии, Рабадан рассматривает свою работу как часть главной тенденции: "Это действительно новая эра в биологии, которая чрезвычайно захватывающая; превращая биологию

Источник:: New AI predicts inner workings of cells

Новости 14-01-2025

Хаббл раскрывает удивительную спиральную форму галактики, в которой расположен молодой джет.

Ночное небо всегда играло важную роль в навигации, от ранних океанских переходов до современного GPS. Помимо звезд, ВМС США используют квазары в качестве маяков. Квазары — это удаленные галактики с сверхмассивными черными дырами, окруженные ярко раскаленными дисками вихреобразного газа, которые могут выбрасывать струи вещества. В продолжение революционного открытия 2020 года о новорожденных джетах в ряде квазаров, стремящаяся стать офицером ВМС Оливия Аченбах из Военно-морской академии США использовала телескоп Хаббла NASA, чтобы раскрыть удивительные свойства одного из них — квазара J0742+2704.

"Самым большим сюрпризом было увидеть очевидную спиральную форму на изображениях телескопа Хаббла. Сначала я переживала, что допустила ошибку", — сказала Аченбах, которая сделала это открытие во время четырехнедельной стажировки.

"Обычно мы видим квазары как более старые галактики, которые стали очень массивными, вместе с их центральными черными дырами, после того как прошли через сложные слияния и приобрели эллиптическую форму", — сказала астроном Кристина Нилайн из Военно-морской научной лаборатории, научный руководитель Аченбах в этой работе.

"Это крайне редко и интересно найти галактику, хостящую квазар, с спиральными рукавами и черной дырой, масса которой более 400 миллионов солнечных масс — что довольно много — плюс молодые джеты, которые невозможно было обнаружить 20 лет назад", — добавила Нилайн.

Необычный квазар занимает свое место в активной дискуссии в астрономическом сообществе о том, что вызывает струи квазаров, которые могут иметь значительное влияние на эволюцию галактик, так как эти струи могут подавлять звездообразование. Некоторые астрономы подозревают, что струи квазаров вызываются重大ными слияниями галактик, когда материя из двух или более галактик сливается вместе, и нагретый газ направляется к сливающимся черным дырам. Однако квазары спиральных галактик, такие как J0742+2704, предполагают, что могут существовать и другие пути формирования струй.

Хотя J0742+2704 сохранил свою спиральную форму, изображение Хаббла показывает интригующие признаки его потенциального взаимодействия с другими галактиками. Один из его рукавов показывает искажение, возможно, приливной хвост.

"Очевидно, что здесь происходит что-то интересное. Хотя квазар не пережил значительное разрушительное слияние, он может взаимодействовать с другой галактикой, которая гравитационно тянет его спиральный рукав", — говорит Нилайн.

Еще одна галактика, которая выглядит рядом на изображении Хаббла (хотя ее местоположение еще нуждается в спектроскопическом подтверждении), имеет кольцевую структуру. Эта редкая форма может возникнуть после взаимодействия галактик, когда меньшая галактика пробивается сквозь центр спиральной галактики. "Кольцевая галактика рядом с хост-галактикой квазара может быть интригующей подсказкой о том, что происходит в этой системе. Мы, возможно, наблюдаем за последствиями взаимодействия, которые вызвали этот молодой квазарный джет", — сказала Нилайн.

Аченбах и Нилайн подчеркивают, что это интригующее открытие на самом деле является новой отправной точкой, и будет проведен дополнительный анализ по нескольким длинам волн квазара J0742+2704 с данными из рентгеновской обсерватории Чандра NASA и массива ALMA в Чили. Это также случай, когда стоит продолжать следить за небом, говорит Аченбах.

"Если бы мы посмотрели на эту галактику 20 лет назад или даже десять лет назад, мы бы увидели довольно средний квазар и никогда не узнали бы, что она в конечном итоге станет домом для новорожденных джетов", — говорит Аченбах. "Это показывает, что если вы продолжаете искать, вы можете найти что-то выдающееся, чего никогда не ожидали, и это может направить вас в совершенно новое направление открытий."

Источник:: Hubble reveals surprising spiral shape of galaxy hosting young jet

Преодоление спастичности для помощи парализованным в восстановлении хождения.

Электрическая стимуляция спинного мозга является многообещающей стратегией для восстановления ходьбы после травмы спинного мозга, как показывают недавние исследования. Однако для пациентов, страдающих от мышечных спазмов, протоколы стимуляции имеют ограниченный эффект из-за непредсказуемого поведения непроизвольной мышечной жесткости, связанной со спастичностью. Мышечная спастичность затрагивает почти 70% пациентов с травмой спинного мозга.

Теперь ученые из ЭПФЛ, Университета Сан-Раффаэле и Школы Сант'Анна нашли многообещающий способ решения и снижения мышечной спастичности у пациентов с неполной травмой спинного мозга. Это включает в себя воздействие на спинной мозг высокочастотной электрической стимуляцией, которая блокирует аномальные мышечные сокращения. Это высокочастотное лечение предоставляет пациентам, страдающим от спастичности, доступ к протоколам реабилитации, которые ранее были для них недоступны, с очень хорошими клиническими результатами. Результаты опубликованы сегодня в журнале Science Translational Medicine.

"Мы обнаружили, что высокочастотная электрическая стимуляция спинного мозга, в сочетании с обычной непрерывной низкочастотной стимуляцией спинного мозга, эффективна в процессе реабилитации после травмы спинного мозга, преодолевая мышечную жесткость и спазмы у парализованных пациентов и эффективно помогая им при движении," объясняет Сильвестро Микера, профессор Нейро X Института ЭПФЛ и Школы Сант'Анна.

"Это безопасная и эффективная хирургическая процедура, которая предлагает новую перспективу в лечении пациентов с тяжелыми повреждениями спинного мозга. Мы планируем расширить показания на различные клинические состояния, которые мы определим в следующем месяце. Мы глубоко благодарны пациентам, которые доверились нам," говорит Пьетро Мортини, руководитель Нейрохирургического и Стереотаксического радиохирургического отделения в IRCCS Ospedale San Raffaele (Милан) и полный профессор нейрохирургии в Университете Вита-Салуте Сан Рaffaэле.

Электрическая стимуляция спинного мозга — это косвенный способ достижения моторных нейронов, которые заставляют мышцы двигаться. Это объясняется тем, что задняя часть спинного мозга содержит сенсорные нейроны, которые, в свою очередь, общаются с моторными нейронами. При мышечной спастичности известно, что сенсомоторные цепи спинного мозга чрезмерно активны. На самом деле, спинной мозг естественно чрезмерно реагирует на стимулы, что хорошо, так как это приводит к быстрым рефлексам. Обычно эта гиперреактивность уравновешивается мозгом, который ингибирует моторные цепи. При травме спинного мозга пациент теряет связь с мозгом и эти ингибиторные механизмы. Косвенно стимулируя моторные цепи, исследовательская группа обнаружила, что высокочастотная стимуляция спинного мозга является искусственным и безопасным способом ингибирования этой гиперреактивности без дискомфорта для пациентов.

Во время клинического испытания в больнице Сан Рфаэле, которое координировали Мортини и Микера, Симона Ромени, первый автор исследования и исследователь ЭПФЛ и Университета Сан Рфаэле, предложила реализовать высокочастотную стимуляцию, вдохновившись предыдущими работами по блокировке двигательных цепей высокочастотными килогерцами с помощью стимуляции периферических нервов.

"На данном этапе мы можем лишь предполагать, что высокочастотная стимуляция действует как килогерцовый блок, который предотвращает мышечную спастичность," говорит Микера.

"Клинические данные с двумя пациентами указывают на преимущества внедрения высокочастотной стимуляции для снижения мышечной жесткости и спазмов при параличе. Будет необходимо провести дополнительные эксперименты, чтобы подтвердить потенциал этого подхода," заключает Мортини.

Источник:: Overcoming spasticity to help paraplegics walk again

ИИ может улучшить диагностику рака яичников.

Новое международное исследование, проведенное учеными из Каролинского института в Швеции, показывает, что модели на основе ИИ могут превзойти человеческих экспертов в выявлении рака яичников на ультразвуковых изображениях. Исследование опубликовано в журнале Nature Medicine.

"Опухоли яичников распространены и часто обнаруживаются случайно," говорит профессор Элизабет Эпштейн из Отдела клинической науки и образования при Сёдершюсхусет (Южная общая больница Стокгольма) Каролинского института и старший консультант в отделении акушерства и гинекологии больницы. "Существует серьезный дефицит экспертов по ультразвуковой диагностики во многих частях мира, что вызывает опасения по поводу ненужных вмешательств и задержек в диагностике рака. Поэтому мы хотели выяснить, может ли ИИ дополнить человеческих экспертов."

ИИ превосходит экспертов

Исследователи разработали и протестировали модели нейронных сетей, способные различать доброкачественные и злокачественные поражения яичников, обучив и протестировав ИИ на более чем 17,000 ультразвуковых изображениях от 3,652 пациентов в 20 больницах восьми стран. Затем они сравнили диагностическую способность моделей с большой группой экспертов и менее опытных ультразвуковых экспертов.

Результаты показали, что модели ИИ превосходят как экспертов, так и неэкспертов в выявлении рака яичников, достигнув точности 86.3 процента по сравнению с 82.6 процента у экспертов и 77.7 процента у неэкспертов.

"Это предполагает, что модели нейронных сетей могут предложить ценную поддержку в диагностике рака яичников, особенно в сложных случаях и в условиях, где не хватает экспертов по ультразвуковым исследованиям," говорит профессор Эпштейн.

Снижение необходимости в направлении к экспертам

Модели ИИ также могут сократить необходимость в направлениях к экспертам. В имитированной ситуации сортировки поддержка ИИ снизила количество направлений на 63 процента и уровень неправильных диагнозов на 18 процентов. Это может привести к более быстрой и экономически эффективной помощи пациентам с поражениями яичников.

Несмотря на многообещающие результаты, исследователи подчеркивают, что необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем полностью понять потенциал моделей нейронных сетей и их клинические ограничения.

"Продолжая исследования и разработки, инструменты на основе ИИ могут стать неотъемлемой частью здравоохранения завтрашнего дня, облегчая работу экспертов и оптимизируя ресурсы больниц, но мы должны убедиться, что они могут быть адаптированы к различным клиническим условиям и группам пациентов," говорит Филип Кристенсен, аспирант в исследовательской группе профессора Эпштейн в Каролинском институте и совместный первый автор с Эмиром Конуком из Королевского технического института (KTH).

Оценка безопасности поддержки ИИ

В настоящее время исследователи проводят проспективные клинические исследования в Сёдершюсхусет для оценки повседневной клинической безопасности и полезности инструмента ИИ. В будущем в исследования также будет включено рандомизированное многоцентровое исследование для изучения его воздействия на управление пациентами и затраты на здравоохранение.

Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с учеными Королевского технического института (KTH) и финансировалось за счет грантов Шведского научного совета, Шведского общества рака, Регионального совета Стокгольма, Фондов раковых исследований Радийхеммета и Программы Уолленберга по ИИ, автономным системам и программному обеспечению (WASP).

Элизабет Эпштейн, Филип Кристенсен и трое соавторов подали заявку на патент через компанию Intelligyn на методы компьютерной диагностики. Элизабет Эпштейн, Филип Кристенсен и Кевин Смит, исследователь Королевского технического института (KTH), также являются акционерами компании Intelligyn, руководителем которой является профессор Эпштейн без оклада.

Источник:: AI can improve ovarian cancer diagnoses

Новости 13-01-2025

Использование роботов в домах престарелых связано с повышением удержания сотрудников и улучшением качества ухода за пациентами.

С учетом высокой текучести кадров и стареющего населения, дома престарелых все чаще обращаются к роботам для выполнения различных задач по уходу, однако немногие исследователи изучали, как эти технологии влияют на работников и качество ухода.

Новое исследование эксперта Университета Нотр-Дам по вопросам будущего труда показывает, что использование роботов связано с увеличением занятости и удержания сотрудников, повышенной производительностью и более высоким качеством ухода. Это исследование имеет важные последствия для рабочего места и индустрии долговременного ухода.

Ён Сук Ли, доцент технологий, экономики и глобальных дел в Школе глобальных дел имени Кеоу Нотр-Дам, был главным автором исследования, опубликованного в журнале Labour Economics. Большинство исследований роботов на рабочем месте сосредоточено на производственном и промышленном секторах, но исследование Ли пролило свет на долговременный уход и на разные типы роботов, используемых в этом контексте. Исследователи опирались на опросы японских домов престарелых, проведенные в 2020 и 2022 годах.

«Наше исследование сосредоточено на Японии, потому что это стареющее общество, которое предоставляет хороший пример того, что будущее может ожидать в других странах — сокращающееся население, растущая доля пожилых граждан и уменьшающаяся доля трудоспособного населения», — сказал Ли. «Мы должны быть готовы к этой новой реальности».

В 2022 году, например, более 57 миллионов жителей США было в возрасте 65 лет и старше, согласно Национальному совету по старению. Бюро переписи населения прогнозирует, что к 2050 году это число вырастет до 88,5 миллиона.

Влияние на работников

В будущем, где будет больше пожилых людей, требующих ухода, целевое использование роботов может принести пользу как работникам, так и пациентам, сказал Ли. В исследовании анализировались три типа роботов, которые все чаще используются в учреждениях помощи:

Роботы для перемещения, которые медсестры используют для подъема, перемещения и вращения пациентов в кроватях и по комнатам.

Роботы для мобильности, которые пациенты используют для передвижения и купания.

Роботы для мониторинга и связи, которые включают технологии, такие как компьютерное зрение и датчики для кроватей, способные отслеживать данные о пациенте, например передвижение, и передавать их поставщикам ухода.

«Мы обнаружили, что использование роботов дополняет работу ухода, снижая уровень увольнений», — сказал Ли. «Это важно, потому что текучесть кадров является большой проблемой в домах престарелых. Работники обычно испытывают значительную физическую боль, особенно в коленях и спине. Работа тяжелая, а оплата низкая. Таким образом, использование роботов связано с удержанием сотрудников».

Хотя использование роботов было связано с общим увеличением занятости, Ли отметил, что эта тенденция, похоже, помогла некоторым работникам больше, чем другим: это было связано с увеличением спроса на работников на неполный рабочий день, менее опытных, и с уменьшением спроса на более опытных работников.

Улучшение ухода за пациентами

Пациенты извлекли выгоду из работы в учреждениях, использующих роботов, согласно исследованию. Дома престарелых, которые изучала команда Ли, сообщали о снижении использования ограничений для пациентов и о снижении числа пролежней, от которых часто страдают жители домов престарелых, в значительной степени из-за недостатка мобильности. Оба показателя широко используются в индустрии долговременного ухода для оценки результатов лечения, сказал Ли.

Убирая физическую нагрузку, связанную с определенными задачами, сказал Ли, роботы могут освободить место для работников по уходу, чтобы сосредоточиться на задачах, более подходящих для человека.

«Роботы могут повысить производительность, переключив задачи, выполняемые работниками ухода, на те, которые требуют человеческого прикосновения, эмпатии и ловкости», — сказал Ли. «В конечном счете, роботы могут помочь работникам предоставлять более высокий уровень ухода за пациентами».

«Это исследование предоставляет критически важные сведения о том, как общества могут успешно справляться с вызовами ухода за стареющим населением».

Будущее труда

Ли является соавтором исследования вместе с Тошиаки Иидзука из Токийского университета и Карен Эгглестон из Стэнфордского университета. Исследование получило финансирование от Исследовательского центра Шоренштейна по вопросам Азиатско-Тихоокеанского региона Стэнфордского университета, Фонда Японии Института Фримена Спогли, а также от Института Кеоу по исследованиям Азии и Азиатских исследований и Института Келлогга по международным исследованиям.

Это новое исследование вписывается в продолжающуюся работу Ли по исследованию того, как новые технологии, включая искусственный интеллект и робототехнику, влияют на неравенство и будущее труда. Ли является председателем программы по этике технологий Института этики и общего блага, ключевого элемента Этической инициативы Нотр-Дам. Он также является факультетским сотрудником Центра человеческого развития и глобального бизнеса имени Маккены Школы Кеоу и исследовательским сотрудником институтов Келлогга, Пулте и Лиу по международным исследованиям и исследованиям Азии и Азия.

«Это исследование предоставляет критически важные сведения о том, как общества могут успешно справляться с вызовами ухода за стареющим населением», — сказал Ли. «Оно поможет проинформировать работу индустрии долговременного ухода и поможет нам лучше понять, как технологии влияют на работников и пациентов».

Источник:: Using robots in nursing homes linked to higher employee retention, better patient care

Ученые используют искусственный интеллект для ускорения разработки стратегий по снижению метановых эмиссий в животноводстве.

Новое исследование Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (USDA) и Государственного университета Айовы (ISU) показывает, что генеративный искусственный интеллект (ИИ) может помочь ускорить поиск решений для сокращения метановых эмиссий, вызванных коровами в животноводстве, которое составляет около 33 процентов сельского хозяйства США и 3 процента от общих выбросов парниковых газов в стране.

«Разработка решений для борьбы с метановыми эмиссиями в животноводстве является критически важной задачей. Наши ученые продолжают использовать инновационные и основанные на данных стратегии, чтобы помочь производителям скота достичь целей по сокращению выбросов, что поможет защитить окружающую среду и содействовать более устойчивому будущему сельского хозяйства», — сказал администратор ARS Симон Лю.

Одно из этих инновационных решений начинается в желудке коровы, где микроорганизмы способствуют энтерическому брожению и вызывают выделение метана при нормальных процессах пищеварения. Команда ученых обнаружила группу соединений, способных ингибировать выработку метана в крупнейшем из четырех желудочных отделов коровы — рубце, которые можно протестировать для помощи в снижении метановых эмиссий.

Одно конкретное соединение, бромоформ, которое естественным образом встречается в водорослях, было идентифицировано научным сообществом как обладающее свойствами, которые могут сокращать выработку метана у коров на 80-98 процентов при кормлении коров. К сожалению, бромоформ известен как канцероген, что ограничивает его потенциал использования в скотоводстве по причинам безопасности продуктов питания. Поэтому ученые продолжают искать соединения с аналогичным потенциалом для ингибирования энтерического метана. Однако такой тип исследований представляет собой вызовы, поскольку это особенно времязатратно и дорого.

В ответ на эти вызовы команда ученых в Исследовательском центре управления питанием скота ARS и в кафедре химической и биологической инженерии ISU объединила генеративный ИИ с крупными расчетными моделями, чтобы ускорить поиск молекул, подобных бромоформу, которые могут выполнять ту же задачу без токсичности.

«Мы используем продвинутые молекулярные симуляции и ИИ для идентификации новых ингибиторов метана на основе свойств ранее исследованных ингибиторов [таких как бромоформ], но которые безопасны, масштабируемы и обладают большим потенциалом для ингибирования метановых эмиссий», — сказал Мэттью Бек, исследователь-анималист, работавший с ARS в момент завершения исследования и сейчас работающий в кафедре зоологии Университета Техаса A&M. «Государственный университет Айовы ведет работу по компьютерному моделированию и ИИ, в то время как ARS берет на себя лидерство в идентификации соединений и их проверке с использованием сочетания in vitro [лабораторных] и in vivo [на живом скоте] исследований».

Общественно доступные базы данных, содержащие научные данные, собранные из предыдущих исследований рубца коров, были использованы для создания крупных расчетных моделей. ИИ вместе с этими моделями использовался для предсказания поведения молекул и для идентификации тех, которые можно дополнительно протестировать в лаборатории. Результаты лабораторных испытаний подают данные в компьютерные модели, чтобы ИИ мог делать более точные предсказания, создавая процесс обратной связи, известный как графовая нейронная сеть.

«Наша графовая нейронная сеть — это модель машинного обучения, которая изучает свойства молекул, включая детали атомов и химические связи, которые их связывают, сохраняя при этом полезную информацию о свойствах молекул, что помогает нам изучать, как они, вероятно, будут вести себя в желудке коровы», — сказал доцент ISU Ратул Чоудхури. «Мы изучили их биохимический отпечаток, чтобы определить, что делает их успешными в выполнении своей задачи по сравнению с другими пятьюдесятью тысячами молекул, которые находятся в рубце коровы, но не останавливают активно выработку метана».

«Это исследование успешно продемонстрировало, что пятнадцать молекул группируются очень близко друг к другу в том, что мы называем «пространством ингибирования функциональной метаногенеза», что означает, что они, похоже, обладают аналогичным потенциалом ингибирования энтерического метана, химическим сходством и проницаемостью для клеток, как бромоформ», — добавил Чоудхури.

Ученые считают, что ИИ может сыграть значительную роль в понимании того, как известные молекулы взаимодействуют как с белками, так и с микроорганизмами рубца, и тем самым открывать новые молекулы и потенциально ключевые взаимодействия в микробиоме рубца. Этот тип предсказательного моделирования может быть особенно полезным для специалистов по питанию животных.

«Существуют и другие многообещающие стратегии, которые в настоящее время доступны для снижения метановых эмиссий, но доступные решения относительно ограничены», — сказал исследователь USDA-ARS Яцек Козель. «Вот почему сочетание ИИ с лабораторными исследованиями, через итеративное уточнение, является ценным научным инструментом. ИИ может ускорить исследования и ускорить эти несколько направлений, которые специалисты по питанию животных, исследователи и компании могут преследовать, чтобы приблизиться к очень амбициозной цели по ограничению выбросов парниковых газов и смягчению изменений климата».

Исследование также содержит полное разбивку вычислительных и денежных затрат на проведение этой работы на основе расчета для каждой молекулы. Этот анализ был проведен, чтобы показать оценку потенциальных затрат и предсказуемых подводных камней данного исследования. Эта оценка может быть использована для руководства по принятию решений о вложениях в подобные исследования, которые будут проводиться полностью в лаборатории.

Чоудхури, Бек и Козель являются соавторами статьи, опубликованной в журнале Animal Frontiers, вместе с Натаном Фрейзером (ARS) и Логаном Томпсоном (Университет штата Канзас). Мохаммед Сакиб Нур, магистрант ISU, работает с Чоудхури над

Источник:: Scientists leverage artificial intelligence to fast-track methane mitigation strategies in animal agriculture

Добыча нефти могла спровоцировать небольшие землетрясения в Сарри, Англия

Серия из более чем 100 небольших землетрясений в Сарри в 2018 и 2019 годах могла быть вызвана добычей нефти из близлежащей скважины, предполагает новое исследование ученых из Университетского колледжа Лондона (UCL).

Землетрясения, которые произошли в Ньюдигейте и окрестностях с апреля 2018 года до начала 2019 года, были зарегистрированы с магнитудой от 1.34 до 3.18 и связаны с трещинами в стенах и потолках, а также другими разрушениями жилья, с сообщениями о том, что дома и кровати тряслись.

Геологи разделились во мнении, могли ли эти землетрясения быть вызваны добычей на скважине Хорс-Хилл в Орли, расположенной примерно в 5-10 км от места землетрясений.

Ранее некоторые исследователи утверждали, что паттерн землетрясений не соответствует добыче нефти, так как периоды увеличенной добычи не следовали за увеличением сейсмической активности.

Новое исследование, опубликованное в Geological Magazine, провело более миллиона симуляций, оценивающих частоту землетрясений на основе времени и объема добычи нефти, и выяснило, что предсказания модели в основном совпадают с тем, что произошло, что позволяет предположить связь между добычей нефти и землетрясениями.

Ведущий автор доктор Мэтью Фокс (UCL Earth Sciences) сказал: "Наше исследование предполагает, что существует связь между землетрясениями и добычей нефти на Хорс-Хилл, но мы не можем исключить, что эта связь является совпадением. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять, является ли это причинно-следственной связью. Тем не менее, наши выводы указывают на то, что добыча нефти могла спровоцировать землетрясения."

Добыча нефти на Хорс-Хилл была остановлена в октябре после того, как разрешение на строительство было отменено в знаковом судебном разбирательстве. Судьи Верховного суда постановили, что полное воздействие проекта на климат должно было быть рассмотрено до того, как Совет графства Сарри его одобрил.

Тем не менее, другой проект получил одобрение совета на проведение разведочных бурений в Балкомбе, Западный Суссекс. Это подверглось юридическому оспариванию со стороны группы жителей, и дело ожидается к рассмотрению в Апелляционном суде в этом месяце [январь 2025 года].*

Добыча нефти меняет давление жидкости в породе, из которой нефть извлекается. Это изменение давления потенциально может распространяться через десятки километров под землей, чтобы пересечь разлом (сдвиг между двумя блоками породы). Скорость, с которой это изменение давления распространяется, зависит от проницаемости породы (насколько быстро жидкости могут пройти через нее). Поскольку разломы часто находятся под значительным напряжением, даже небольшое изменение нагрузки может вызвать быстрое движение породы, что приводит к землетрясению.

Для нового исследования ученые использовали математическую модель для предсказания числа землетрясений, которые могут произойти в зависимости от того, сколько нефти было добыто, учитывая два разных типа пород, из которых была извлечена нефть.

Поскольку основная информация неизвестна — например, каков будет временной зазор между добычей нефти и возникновением землетрясения — команда использовала инструмент машинного обучения Байеса, который случайным образом изменял неизвестные параметры, такие как временной зазор.

Основываясь на работе покойного геолога Университета Глазго доктора Роба Уэстеруэя, исследователи смогли учесть переключение добычи нефти между двумя различными типами породы, один из которых, портлендская порода, в миллион раз более проницаем, чем другой, киммериджская порода, что означает, что временной зазор между добычей и возможным индуцированным землетрясением составит всего несколько дней, а не недель.

Хотя землетрясения начались незадолго до начала добычи нефти, исследователи отметили, что эти землетрясения могли быть вызваны подготовительными работами — например, проверкой давления в скважине — которые могли привести к аналогичному изменению давления, проходящему под землей к линии разлома.

Исследователи заявили, что картина усложняется тем, что сейсмометры (приборы для обнаружения колебаний земли) были установлены в районе только после того, как произошли первые более крупные землетрясения. Никакие меньшие землетрясения, которые могли произойти до установки этих инструментов, не были зафиксированы. Это подчеркивает необходимость детального сейсмического мониторинга перед началом добычи нефти на предполагаемых площадках.

Соавтор профессор Филип Мередит (UCL Earth Sciences) сказал: "Наше исследование подчеркивает важность мониторинга сейсмичности тех районов, где может происходить добыча нефти, перед началом любых работ. Осторожность должна быть девизом. Нет смысла утверждать, что у вас нет проблем, когда они могут быть."

"В Сарри не было значительной сейсмической активности на протяжении десятилетий, поэтому эти землетрясения были необычными событиями. Однако необычные события происходят в природе, поэтому мы не можем исключать возможность того, что временной сбой, связанный с добычей нефти, был совпадением."

*Ведущий автор доктор Мэтью Фокс предоставил экспертное свидетельство по данному делу.

Источник:: Oil extraction might have triggered small earthquakes in Surrey, England

Новости 12-01-2025

Новая модель ИИ TabPFN позволяет делать более быстрые и точные прогнозы на малых табличных наборах данных.

Заполнение пробелов в наборах данных или выявление выбросов — это область работы алгоритма машинного обучения TabPFN, разработанного командой под руководством профессора Франка Хуттера из Университета Фрайбурга. Этот искусственный интеллект (ИИ) использует методы обучения, вдохновленные крупными языковыми моделями. TabPFN учится выявлять причинно-следственные связи на синтетических данных и, таким образом, с большей вероятностью делает правильные прогнозы, чем стандартные алгоритмы, которые использовались до сих пор. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature. Кроме Университета Фрайбурга, в разработке принимали участие Университетская клиника Фрайбурга, Шарите — Берлинская медицинская школа, фрайбургский стартап PriorLabs и Институт ELLIS в Тюбингене.

Наборы данных, независимо от того, касаются ли они эффектов определенных медикаментов или путей частиц в ускорителях CERN, редко бывают полными или безошибочными. Поэтому важной частью научного анализа данных является способность распознавать выбросы или прогнозировать значимые оценки для недостающих значений. Существующие алгоритмы, такие как XGBoost, хорошо работают с большими наборами данных, но часто оказываются ненадежными при меньших объемах данных.

С моделью TabPFN Хуттер и его команда решают эту проблему, обучая алгоритм на искусственно созданных наборах данных, смоделированных по реальным сценариям. Для этого ученые создают таблицы данных, в которых записи в отдельных столбцах взаимосвязаны. TabPFN был обучен на 100 миллионах таких синтетических наборов данных. Это обучение позволяет модели оценивать различные возможные причинно-следственные связи и использовать их для своих прогнозов.

Модель особенно превосходит другие алгоритмы для небольших таблиц с менее чем 10 000 строк, множеством выбросов или большим количеством недостающих значений. Например, TabPFN требует всего 50% данных, чтобы достичь той же точности, что и лучшая из моделей, использовавшихся ранее. Кроме того, TabPFN более эффективно обрабатывает новые типы данных по сравнению с предыдущими алгоритмами. Вместо того, чтобы начинать новый процесс обучения для каждого набора данных, модель можно адаптировать к подобным наборам данных. Этот процесс напоминает адаптацию языковых моделей с открытыми весами, таких как Llama, разработанная Meta. Модель также позволяет получать плотность вероятности из набора данных и генерировать новые данные с аналогичными свойствами.

«Возможность использовать TabPFN для надежного и быстрого расчета прогнозов на основе табличных данных полезна для многих дисциплин, от биомедицины до экономики и физики», — говорит Хуттер. «TabPFN дает лучшие результаты быстрее и, поскольку требует немного ресурсов и данных, идеально подходит для небольших компаний и команд.» Код и инструкции о том, как его использовать, можно найти здесь. На следующем этапе исследователи планируют дальнейшую разработку ИИ, чтобы он мог делать как можно более точные прогнозы даже при больших наборах данных.

Источник:: New AI model TabPFN enables faster and more accurate predictions on small tabular data sets

Использование микроволновой реактивной потоковой системы для преобразования биомассы в полезные сахара.

Исследователи из Университета Кюсю разработали устройство, которое сочетает в себе катализатор и микроволновую реакцию в потоке, чтобы эффективно преобразовать сложные полисахариды в простые моносахариды. Устройство использует процесс гидролиза с непрерывным потоком, где клетобиоза — дисахарид, состоящий из двух молекул глюкозы — проходит через сульфонатный углеродный катализатор, нагреваемый с помощью микроволн. В результате химической реакции клетобиоза распадается на глюкозу. Их результаты были опубликованы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Преобразование биомассы в полезные ресурсы является темой научных исследований на протяжении нескольких десятилетий. Полисахариды биомассы, длинноцепочечные сложные сахара, широко распространенные в природе, считаются одними из самых перспективных веществ для эффективного преобразования, поскольку их можно превратить в простые сахара, которые, в свою очередь, могут быть использованы в пище, фармацевтике и химическом синтезе.

Гидролиз — одна из более эффективных химических реакций, которые преобразуют длинноцепочечные сахара в простые сахара, обычно с использованием кислот в качестве катализаторов. Хотя многие кислотные катализаторы находятся в газообразной или жидкой форме, твердые кислотные катализаторы — которые, как говорит название, являются кислотой в твердой форме — известны своей более высокой возможностью повторного использования, что привлекло внимание исследователей.

Однако твердые кислотные катализаторы требуют высоких температур для эффективной реакции. Для преодоления этого, доцент Шунтаро Цубаки из Факультета сельского хозяйства Университета Кюсю и его команда исследовали применение микроволновых реакций в потоке для нагрева твердых катализаторов в процессе реакции.

«Микроволны создают локализованное высокотемпературное реакционное поле на твердом катализаторе, что может привести к более высокой каталитической активности при поддержании общей температуры реакционной системы на более низком уровне», — объясняет Цубаки. «Кроме того, мы можем непрерывно пропускать субстрат через реакционный посудину, где микроволны применяются к катализатору, что приводит к более высоким выходам желаемого продукта.»

Устройство, разработанное исследователями, использовало твердый кислотный катализатор, состоящий из сульфонатного углерода. Клетобиоза, дисахарид, использовалась в качестве модельного сахара для тестирования системы. В их устройстве раствор клетобиозы пропускался через сульфонатный углеродный катализатор, нагреваемый до 100-140℃ с помощью микроволн. Затем катализатор разбивал клетобиозу через гидролиз и производил моносахарид глюкозу.

Ключевым фактором для эффективности системы является возможность разделять электромагнитные и магнитные поля микроволн.

«Микроволны создают как электрические, так и магнитные поля. Электрическое поле вызывает нагрев дипольных материалов, таких как вода. Это и нагревает вашу пищу. Магнитное поле, с другой стороны, индуцирует нагрев проводящих материалов, таких как металлы и углерод», — говорит Цубаки. «В нашем устройстве нам удалось увеличить каталитическую активность, отделяя два поля, затем используя электрическое поле для нагрева жидкого раствора клетобиозы и одновременно используя магнитное поле для нагрева катализатора.»

Микроволновые катализируемые реакции были применены для различных химических реакций, включая органический синтез, переработку пластиков и преобразование биомассы. Команда надеется, что по мере роста использования возобновляемых источников энергии, химическое производство с электрическим приводом, подобное ихнему, поможет продвигать отрасль к более экологическому будущему.

«Мы ожидаем, что наша система поможет в разработке более устойчивого химического синтеза. Мы также хотели бы исследовать полезность нашей методологии для гидролиза других полисахаридов, а также в белках для производства аминокислот и пептидов», — заключает Цубаки.

Источник:: Harnessing microwave flow reaction to convert biomass into useful sugars

Умное кольцо с крошечной камерой позволяет пользователям управлять домашними устройствами с помощью наведения и нажатия.

Хотя умные устройства в домах включают в себя колонки, системы безопасности, освещение и термостаты, способы управления ими остаются относительно стабильными. Пользователи могут взаимодействовать с телефоном или разговаривать с устройствами, но это часто менее удобно, чем простые переключатели, которые они заменяют: "Включи лампу... Не ту... Увеличь громкость колонки... Не так громко!"

Исследователи из Университета Вашингтона разработали IRIS, умное кольцо, которое позволяет пользователям управлять умными устройствами, нацеливая маленькую камеру кольца на устройство и нажимая встроенную кнопку. Прототип Bluetooth-кольца отправляет изображение выбранного устройства на телефон пользователя, который управляет устройством. Пользователь может регулировать устройство с помощью кнопки и, для устройств с градиентным управлением, такими как громкость колонки, вращая рукой. IRIS, или Интерактивное кольцо для взаимодействия с умными устройствами, работает от одной зарядки 16-24 часа.

Команда представила свои исследования 16 октября на 37-м ежегодном симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса в Питтсбурге. На данный момент IRIS недоступно для широкой публики.

"Голосовые команды часто бывают действительно громоздкими", - сказала соавтор исследования Маручи Ким, аспирантка UW из Школы компьютерных наук и инженерии имени Пола Г. Аллена. "Мы хотели создать что-то такое же простое и интуитивно понятное, как нажатие на значок на рабочем столе вашего компьютера".

Команда решила разместить систему в кольце, поскольку они считали, что пользователи будут носить его в течение всего дня. Проблема заключалась в интеграции камеры в беспроводное умное кольцо с учетом его размера и ограничений по энергии. Система также должна была переключать устройства менее чем за секунду; в противном случае пользователи начинают думать, что оно не работает.

Чтобы добиться этого, исследователи заставили кольцо сжимать изображения перед их отправкой на телефон. Вместо того, чтобы постоянно транслировать изображения, кольцо активируется, когда пользователь нажимает кнопку, а затем отключается через 3 секунды бездействия.

В исследовании с участием 23 участников в два раза больше пользователей предпочли IRIS системе управления голосом (в данном случае Siri от Apple). В среднем IRIS управляло домашними устройствами более чем на две секунды быстрее, чем голосовые команды.

"В будущем интеграция системы камеры IRIS в умное кольцо для отслеживания здоровья стала бы преобразующим шагом для умных колец", - сказала Ким. "Это позволило бы умным кольцам на самом деле усиливать или улучшать человеческие возможности, а не просто сообщать вам количество ваших шагов или пульс".

Антонио Гленн, Бандхав Велури — оба аспиранты UW из Школы Аллена — были соавторами исследования, а Шьям Голлакот, профессор UW из Школы Аллена, был старшим автором. Дополнительными соавторами являются Юнсэо Ли, ассистент-исследователь UW из Школы Аллена; Эйоэл Гебре, студент бакалавриата UW из Школы Аллена; Адитиа Багария, магистрант UW из Школы Аллена; и Шиветак Пател, профессор UW из Школы Аллена. Это исследование было профинансировано с помощью гранта Moore Inventor Fellow и Национального научного фонда.

Источник:: A smart ring with a tiny camera lets users point and click to control home devices

Новости 11-01-2025

«Что это такое?» Ученые объясняют белое пятно, которое появляется рядом с северным сиянием.

Белесое, сероватое пятно, которое иногда появляется в ночном небе наряду с северным сиянием, впервые было объяснено исследователями из Университета Калгари.

Статья, опубликованная 30 декабря в журнале Nature Communications, исследует «структурированное континуумное излучение», связанное с ауророй бореалис.

«Вы видели бы это динамичное зеленое сияние, вы видели бы несколько красных аурор на фоне, и вдруг вы видели бы это структурированное — почти как пятно — серое или белое излучение, связанное с ауророй», — говорит доктор Эмма Спэнсвик, кандидат наук, главный автор статьи и доцент кафедры физики и астрономии Факультета естественных наук.

«Так что первая реакция любого ученого: „Что это такое?“»

Спэнсвик говорит, что белое пятно упоминалось в научных статьях ранее, но никогда не было объяснено.

Статья её команды делает вывод, что это «определенно источник тепла» и говорит о том, что аура бореалис более сложна, чем считалось ранее.

Спэнсвик отмечает, что открытие стало возможным благодаря прогрессу в технологии камер, который позволяет как любительским фотографам, так и ученым видеть настоящие цветные изображения ночного неба.

«Все замечают прогресс в цифровой фотографии. Ваш мобильный телефон теперь может делать фотографии ауроры», — говорит она. «Это перешло на рынок коммерческих сенсоров сейчас.

«Такие типы сенсоров теперь можно найти в более коммерческих, более надежных сенсорах, которые мы используем в науке.»

Исследование команды стало результатом возобновленного интереса к континуумному излучению с открытием и наблюдениями за длинной светящейся лентой фиолетового света, известной как STEVE — или Укрепление Теплового Излучения Со Скоростью.

«Существуют сходства между тем, что мы видим сейчас, и STEVE», — объясняет Спэнсвик. «STEVE проявляет себя как это малиновое или серое по тонам строение.

«Честно говоря, повышение спектра между двумя явлениями очень похоже, но это, из-за его ассоциации с динамичной ауророй, почти встраивается в ауру. Его сложнее выделить, если смотреть на него, в то время как STEVE отделен от ауры — большая лента, пересекающая небо.»

Последние исследования также значимы, потому что включают трех студентов из Университета Калгари, включая бакалавра Джоша Хотона, который первоначально был нанят в качестве стажера в проекте.

«Я все еще много чего учился в это время», — говорит он. «Я только что начал свою стажировку и очень быстро включился в процесс. Это просто очень, очень круто.»

Спэнсвик говорит, что Хотон провел много анализов в рамках исследования, что привело к его участию в статье для Nature в качестве бакалавра.

«У него был потрясающий опыт стажировки», — говорит она.

Хотон продолжит исследования как часть своей выпускной работы, прежде чем приступит к магистратуре в Университете Калгари в следующем году.

Исследования стали возможны благодаря проекту Исследователь Транзитной Области (TREx), который является проектом Университета Калгари, совместно финансируемым Канадским Фондом Инноваций, правительством Альберты и Канадским космическим агентством.

Инструменты TREx RGB и спектрограф управляются и обслуживаются Space Environment Canada при поддержке Канадского космического агентства в рамках инициативы Геопространственной Обсерватории (GO) Канада.

Источник:: 'What is that?' Scientists explain white patch that appears near northern lights

«Красное преимущество» больше не актуально для олимпийских боевых видов спорта.

Существует мнение, что ношение красной формы в боевых видах спорта дает спортсменам преимущество, однако новое исследование предполагает, что этому утверждению больше нет никакого подтверждения.

В боксе, таэквондо и борьбе спортсмены случайным образом получают либо красную, либо синюю спортивную одежду. Предыдущие исследования 2005 года показали, что ношение красного может быть связано с более высокой вероятностью победы в олимпийских боевых видах спорта, особенно в напряжённых боях, но это не было проверено в нескольких турнирах.

Психологи из Vrije Universiteit Amsterdam и Northumbria University объединились с исследователями из Университета Дарема, которые проводили первоначальное исследование о красном преимуществе, чтобы протестировать гипотезу на базе шестнадцати крупных международных турниров.

Используя современные методы анализа данных, они проанализировали результаты более 6 500 участников семи летних Олимпийских игр и девяти чемпионатов мира по боксу, проведенных в период с 1996 по 2020 год.

Их анализ показал, что спортсмены в красной форме побеждали в 50,5% случаев, что означает, что цвет одежды спортсменов не оказал значительного влияния на их выступления. В близких соревнованиях с минимальной разницей в очках те, кто был в красном, побеждали в 51,5% случаев, но это также не считается статистически значимой предвзятостью.

Тем не менее, исследователи обнаружили, что на соревнованиях, проведенных до 2005 года, у спортсменов, носивших красное, действительно было преимущество. В тесных боях 56% побед было одержано теми, кто носил красную одежду.

Исследователи полагают, что красное преимущество ослабло с 2005 года из-за увеличения использования технологий для начисления очков и изменений в правилах турниров.

Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.

Леонард Пеперкоорн, социальный психолог из VU Amsterdam, объяснил: «Преимущество, вероятно, ослабло из-за изменений в регламентах турниров. Раньше судьи играли большую роль в назначении очков. Сегодня начисление очков все чаще поддерживается технологиями, а уточнение правил оставляет меньше места для интерпретации при присуждении очков. В результате боевые виды спорта все больше способны обеспечивать равные условия для всех».

«Это важный синтез, который выходит за рамки отдельных турниров», — сказал профессор Томас Поллетт, эксперт по человеческому поведению и социальным отношениям из кафедры психологии Northumbria University, который является соавтором исследования. «При анализе данных по многим турнирам можно утверждать, что существует мало доказательств того, что так называемое красное преимущество в настоящее время играет важную роль в боевых видах спорта на элитном уровне».

Профессор Рассел Хилл и профессор Роберт Бартон из кафедры антропологии Университета Дарема возглавили первоначальное исследование 2005 года. Они присоединились к этому новому исследованию, чтобы обеспечить последовательность в сборе данных и их интерпретации.

Профессор Хилл объяснил: «С момента нашего оригинального исследования было огромное интерес к красному преимуществу. Хотя спортсмены в красной форме когда-то получали потенциальную выгоду, этот новый и обширный анализ показывает, что изменения правил и осознание влияния цвета одежды, произошедшие с 2005 года, помогли устранить его влияние в боевых видах спорта».

Источник:: The 'red advantage' is no longer true for Olympic combat sports

Новый этап в лечении рака легких, вдохновленный моллюсками.

Исследователи из POSTECH и Национального университета Кенгпук разработали новую ингаляционную терапевтическую систему доставки для лечения рака легких, используя мукоадгезивные белковые наночастицы, вдохновленные адгезионными свойствами морских моллюсков. Этот проект возглавил профессор Хён Джун Ча (Кафедра химической инженерии и Высшая школа конвергентной науки и технологии с специализацией в области медицинских наук) и доктор Енсу Чонг (Кафедра химической инженерии) из POSTECH в сотрудничестве с профессором Юн Ки Чо (Кафедра биомедицинской конвергентной науки и технологии, Передовой институт науки и технологии) из Национального университета Кенгпук.

Рак легких по-прежнему остается одним из самых смертоносных видов рака в мире. Неврологический рак легких (NSCLC), который составляет 85% всех случаев рака легких, особенно сложно поддается лечению из-за трудностей в раннем диагностировании. Текущие противораковые препараты преимущественно вводятся внутривенно, воздействуя как на злокачественные, так и на здоровые ткани, часто вызывая серьезные побочные эффекты. В результате, ингаляционные терапевтические средства становятся многообещающей альтернативой, позволяя локализовать доставку лекарства непосредственно в легкие. Однако эффективность этого подхода значительно ограничивается слизистыми барьерами легких и иммунными клетками. Учитывая этот контекст, совместные исследования привели к разработке мукоадгезивной белковой наночастицы, предназначенной для лечения рака легких.

Этот подход использует замечательные адгезионные свойства моллюсковых белков, известных своей способностью прилипать под водой. Опираясь на окислительно-восстановительные механизмы белка типа 6 (fp-6), исследователи модифицировали белок типа 1 (fp-1), интегрировав цистеин, создав биоматериал с повышенной адгезионной прочностью и точными возможностями доставки лекарств в среду рака легких. Эти наночастицы демонстрируют выдающуюся терапевтическую эффективность, позволяя избирательно высвобождать активные вещества при этом эффективно подавляя высвобождение в здоровых тканях, чтобы минимизировать побочные эффекты. Более того, внутренняя биосовместимость, биоразлагаемость и иммунная совместимость моллюсковых белков обеспечивают превосходную биологическую безопасность и значительно продлевают время удержания противораковых препаратов, тем самым усиливая их терапевтическое воздействие.

В экспериментальных моделях рака легких наночастицы, разработанные исследовательской группой, и содержащиеся в них противораковые препараты показали эффективность в подавлении метастазирования и инвазии раковых клеток после доставки в легкие через небулайзер и адгезии к слизистой на продолжительное время. Это достижение имеет потенциал улучшить доступ пациентов к лечению рака легких, поскольку упрощенное введение лекарства на основе ингаляции можно будет осуществлять самостоятельно дома. Более того, этот подход может значительно улучшить качество жизни пациентов, уменьшив необходимость в посещении больницы.

Профессор Хён Джун Ча, возглавивший совместные исследования в POSTECH, заявил: "Результаты нашего исследования могут существенно повысить как точность, так и эффективность лечения рака легких, при этом значительно улучшая качество жизни пациентов."

Результаты исследования были опубликованы в онлайн-журнале Biomaterials, ведущем международном издании по биоматериалам. Это исследование стало возможным благодаря финансированию от Национального фонда исследований (NRF) по программе поддержки исследователей средней стадии карьерного роста, Программе НИОКР в области стоматологических и медицинских технологий Министерства здравоохранения и социального обеспечения, а также Программе развития технологий регенеративной медицины при Панправительственном органе.

Источник:: A new turning point in lung cancer treatment, inspired by mussels

Новости 10-01-2025

Новая платформа на базе ИИ определяет, какие пациенты могут получить наибольшую пользу от клинических испытаний

Новое исследование, проведенное Институтом рака Уиншип Университета Эмори и Центром рака Абрамсона Университета Пенсильвании, демонстрирует, что платформа первого в своем роде, использующая искусственный интеллект (ИИ), может помочь клиницистам и пациентам оценить, будет ли и насколько индивидуальный пациент может получить пользу от конкретной терапии, тестируемой в клинических испытаниях. Эта платформа ИИ может помочь в принятии обоснованных решений по лечению, понимании ожидаемых преимуществ новых методов терапии и планировании дальнейшего ухода.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Medicine, возглавил сертифицированный врач-онколог Рави Б. Парих, доктор медицины, магистр государственной политики, медицинский директор Общего ресурса по данным и технологиям Института рака Уиншип Университета Эмори и доцент кафедры гематологии и медицинской онкологии Школы медицины Университета Эмори, который разрабатывает и интегрирует приложения ИИ для улучшения ухода за пациентами с раком. Соавтором исследования стал Ци Лонг, доктор философии, профессор биостатистики и компьютерных наук, а также основатель Центра науки о данных в области рака при Университете Пенсильвании и заместитель директора по количественной науке о данных в Центре рака Абрамсона Пенсильванской медицины. Первым автором исследования стал Ксавьер Оркатт, доктор медицины, стажер в лаборатории Париха. Среди других авторов исследования были Кан Чен, аспирант в лаборатории Лонга, и Ронак Мамтани, доцент медицины в Университете Пенсильвании.

Парих и его коллеги разработали TrialTranslator, рамочную платформу машинного обучения для "перевода" результатов клинических испытаний на реальную популяцию. Используя данные реальной жизни для моделирования 11 знаковых клинических испытаний рака, они смогли воспроизвести фактические результаты клинических испытаний, что позволило им определить, какие отдельные группы пациентов могут хорошо реагировать на лечение в клинических испытаниях и кто может не реагировать.

"Мы надеемся, что эта платформа ИИ предоставит основу для помощи врачам и пациентам в решении вопроса, применимы ли результаты клинических испытаний к отдельным пациентам," говорит Парих. "Более того, это исследование может помочь исследователям выявить подсгруппы, для которых новые методы лечения неэффективны, что может привести к новым клиническим испытаниям для этих высоко рискованных групп."

"Наша работа демонстрирует огромный потенциал использования ИИ/машинного обучения для обеспечения возможностей использования богатых, но сложных данных реального мира для продвижения прецизионной медицины наилучшим образом," добавляет Лонг.

Ограниченная обобщаемость результатов испытаний

Парих объясняет, что клинические испытания потенциально новых методов лечения ограничены, поскольку менее 10% всех пациентов с раком участвуют в клинических испытаниях. Это означает, что клинические испытания часто не представляют всех пациентов с этим раком. Даже если клиническое испытание показывает, что новая стратегия лечения имеет лучшие результаты, чем стандартное лечение, "многие пациенты, для которых новое лечение не работает," говорит Парих.

"Эта рамочная платформа и наши калькуляторы с открытым исходным кодом позволят пациентам и врачам решать, применимы ли результаты клинических испытаний третьей фазы к отдельным пациентам с раком," говорит он, добавляя, что "это исследование предлагает платформу для анализа реальной обобщаемости других рандомизированных испытаний, включая испытания, которые дали отрицательные результаты."

Как они проводили свой анализ

Парих и коллеги использовали национальную базу данных электронных медицинских записей (EHR) от Flatiron Health для моделирования 11 знаковых рандомизированных контролируемых испытаний (исследований, сравнивающих эффекты различных методов лечения путем случайного распределения участников по группам), анализировавших антираковые режимы, которые считаются стандартом ухода для четырех наиболее распространенных распространенных злокачественных новообразований в Соединенных Штатах: продвинутый немелкоклеточный рак легких, метастатический рак груди, метастатический рак простаты и метастатический колоректальный рак.

Что они обнаружили

Их анализ показал, что пациенты с низкими и средними рисками, которые представляют собой основанные на машинном обучении черты, используемые для оценки базового прогноза пациента, имели время выживания и связанные с лечением преимущества выживания, схожие с теми, которые наблюдались в рандомизированных контролируемых испытаниях. В отличие от этого, пациенты с высокими рисками продемонстрировали значительно более низкое время выживания и связанные с лечением преимущества выживания по сравнению с рандомизированными контролируемыми испытаниями.

Их результаты предполагают, что машинное обучение может идентифицировать группы пациентов реальной жизни, для которых результаты рандомизированных контролируемых испытаний менее обобщаемы. Это означает, добавляют они, что "пациенты реального мира, вероятно, имеют более гетерогенные прогнозы, чем участники рандомизированных контролируемых испытаний."

Почему это важно

Исследовательская группа делает вывод, что исследование "предлагает, что прогноз пациента, а не критерии отбора, лучше предсказывает выживание и пользу от лечения." Они рекомендуют, чтобы перспективные испытания "учитывали более сложные способы оценки прогноза пациентов при вступлении, а не полагались исключительно на строгие критерии отбора."

Более того, они ссылаются на рекомендации Американского общества клинической онкологии и друзей исследований рака о том, что следует предпринять усилия для улучшения представления высокорисковых подсгрупп в рандомизированных контролируемых испытаниях "учитывая, что эффекты лечения для этих лиц могут отличаться от других участников."

Что касается роли ИИ в таких исследованиях, как это, Парих говорит: "Скоро, при соответствующем контроле и доказательствах, будет наблюдаться нарастающая волна биомаркеров на базе ИИ, которые могут анализировать информацию из патологии, радиологии или электронных медицинских записей, чтобы помочь предсказать, будут ли

Источник:: New AI platform identifies which patients are likely to benefit most from a clinical trial

Хранение углерода в зданиях может помочь справиться с изменением климата.

Строительные материалы, такие как бетон и пластик, имеют потенциал для хранения миллиардов тонн углекислого газа, согласно новому исследованию инженеров-строителей и ученых в области земных систем из Университета Калифорнии в Дейвисе и Стэнфордского университета. Исследование, опубликованное 10 января в журнале Science, показывает, что в сочетании с мерами по декарбонизации экономики, хранение CO2 в зданиях может помочь миру достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов.

"Потенциал довольно велик", — сказала Элизабет Ван Ройен, которая возглавила исследование, будучи аспиранткой в UC Davis.

Цель улавливания углерода заключается в том, чтобы взять углекислый газ, либо из мест его производства, либо из атмосферы, превратить его в стабильную форму и сохранить его подальше от атмосферы, чтобы он не способствовал изменению климата. Предложенные схемы включали, например, закачку углерода под землю или его хранение на дне океана. Эти подходы сопряжены как с практическими проблемами, так и с экологическими рисками.

"Что, если вместо этого мы сможем использовать материалы, которые мы уже производим в больших количествах, для хранения углерода?" — сказала Ван Ройен.

Работая с Сабби Миллер, доцентом кафедры гражданского и экологического строительства в UC Davis, и Стивом Дэвисом из Стэнфордского университета, Ван Ройен рассчитала потенциал хранения углерода в широком спектре обычных строительных материалов, включая бетон (цемент и заполнители), асфальт, пластик, древесину и кирпич.

Каждый год в мире производится более 30 миллиардов тонн традиционных версий этих материалов.

Потенциал бетона

Изученные подходы к хранению углерода включали добавление биоактивированного угля (изготавливаемого с использованием тепловой обработки отходов биомассы) в бетон; использование искусственных камней, которые могут накапливать углерод в качестве заполнитель для бетона и асфальта; пластиков и асфальтовых вяжущих на основе биомассы, а не источников ископаемого топлива; а также включение волокна из биомассы в кирпичи. Эти технологии находятся на различных стадиях готовности, некоторые из них все еще исследуются в лаборатории или на пилотном этапе, а другие уже доступны для применения.

Исследователи обнаружили, что хотя био-based пластики могут поглощать наибольшее количество углерода по весу, наибольший потенциал для хранения углерода заключается в использовании углеродных заполнителей для производства бетона. Это связано с тем, что бетон является самым популярным строительным материалом в мире: каждый год производится более 20 миллиардов тонн.

"Если это возможно, небольшое количество хранения углерода в бетоне может иметь большое значение", — сказала Миллер. Команда рассчитала, что если 10% мировой производства заполнителей из бетона подойдут для карбонатизации, они могут поглотить одну гигатонну CO2.

Сырьевые материалы для этих новых процессов по производству строительных материалов в основном представляют собой низкоценные отходы, такие как биомасса, сказала Ван Ройен. Реализация этих новых процессов повысит их ценность, создав экономическое развитие и способствуя циркулярной экономике, добавила она.

Необходимы некоторые разработки технологий, особенно в тех случаях, когда необходимо подтвердить производительность материала и нетто-потенциал хранения отдельных методов производства. Однако многие из этих технологий всего лишь ждут своего применения, сказала Миллер.

Ван Ройен теперь является исследователем в Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США. Работа была поддержана грантом CAREER Миллер от Национального научного фонда.

Источник:: Storing carbon in buildings could help address climate change

ИИ предсказывает прогнозы рака и реакции на лечение.

Слияние визуальной информации (микроскопические и рентгеновские изображения, КТ и МРТ-сканы, например) с текстом (заметки на осмотре, коммуникации между врачами различных специальностей) является ключевым компонентом лечения рака. Но, несмотря на то, что искусственный интеллект помогает врачам анализировать изображения и выявлять аномалии, связанные с болезнью, такие как аномально сформированные клетки, разработать компьютерные модели, которые могут учитывать множество типов данных, было сложно.

Теперь исследователи Стэнфордской медицины разработали модель ИИ, способную интегрировать визуальную и текстовую информацию. После обучения на 50 миллионах медицинских изображений стандартных патологических срезов и более одного миллиарда текстов, связанных с патологией, модель превзошла стандартные методы в своей способности предсказывать прогнозы для тысяч людей с различными типами рака, определять, кто из пациентов с легочным или гастроэзофагеальным раком, вероятно, получит пользу от иммунотерапии, и выявлять людей с меланомой, которые с наибольшей вероятностью столкнутся с рецидивом рака.

Исследователи назвали модель MUSK, что расшифровывается как многомодальный трансформер с унифицированным моделированием масок. MUSK представляет собой значительное отклонение от того, как в настоящее время используется искусственный интеллект в клинических условиях, и исследователи считают, что он может изменить подход к тому, как искусственный интеллект может направлять лечение пациентов.

"MUSK может точно предсказывать прогнозы людей с множеством различных видов и стадий рака," сказал доктор Руйцзян Ли, доцент радиационной онкологии. "Мы разработали MUSK, потому что в клинической практике врачи никогда не полагаются только на один тип данных для принятия клинических решений. Мы хотели использовать несколько типов данных, чтобы получить больше информации и более точные прогнозы по результатам лечения пациентов."

Ли, который является членом Стэнфордского института рака, является старшим автором исследования, опубликованного 8 января в журнале Nature. Постдокторанты Цзинси Сян, PhD, и Сиюэ Ван, PhD, являются ведущими авторами исследования.

Хотя инструменты искусственного интеллекта все чаще используются в клинике, они в основном предназначены для диагностики (показывает ли это микроскопическое изображение или скан признаки рака?), а не для прогноза (каков вероятный клинический исход этого человека и какая терапия наиболее эффективна для конкретного пациента?).

Частично проблема заключается в необходимости обучать модели на больших объемах размеченных данных (например, это микроскопический срез легочной ткани с раковым опухолем) и парных данных (вот клинические записи о пациенте, от которого был получен опухоль). Однако тщательно отобранные и аннотированные наборы данных сложно получить.

Готовый инструмент

В терминах искусственного интеллекта MUSK называется базовой моделью. Базовые модели, предварительно обученные на огромных объемах данных, могут быть настроены с дополнительным обучением для выполнения специфических задач. Поскольку исследователи разработали MUSK для использования непарных многомодальных данных, которые не соответствуют традиционным требованиям для обучения искусственного интеллекта, объем данных, которые компьютер может использовать для "обучения" во время своего начального обучения, расширен в несколько порядков величины. С этой первоначальной подготовкой любое последующее обучение завершается с гораздо меньшими, более специализированными наборами данных. Таким образом, MUSK является готовым инструментом, который врачи могут тонко настроить для помощи в решении конкретных клинических вопросов.

"Самая большая неудовлетворенная клиническая потребность – это модели, которые врачи могут использовать для управления лечением пациентов," сказал Ли. "Нужен ли этому пациенту этот препарат? Или вместо этого нам следует сосредоточиться на другом типе терапии? В настоящее время врачи используют такую информацию, как стадирование заболевания и специфические гены или белки для принятия этих решений, но это не всегда точно."

Исследователи собрали микроскопические срезы тканей, сопутствующие патологические отчеты и данные о дальнейшем лечении (включая то, как чувствовали себя пациенты) из национальной базы данных The Cancer Genome Atlas для людей с 16 основными типами рака, включая рак молочной железы, легких, колоректальный, поджелудочной железы, почек, мочевого пузыря, головы и шеи. Они использовали эту информацию для обучения MUSK прогнозированию специфической выживаемости, или процента людей, не умерших от конкретной болезни в течение определенного времени.

Для всех типов рака MUSK точно предсказывал заболевание-специфическую выживаемость у пациента 75% времени. В то время как стандартные прогнозы, основанные на стадии рака пациента и других клинических рисковых факторах, были верны только 64% времени.

В другом примере исследователи обучили MUSK использовать тысячи данных для прогнозирования, какие пациенты с раком легких или гастроэзофагеальным раком с наибольшей вероятностью получат пользу от иммунотерапии.

"В настоящее время основное решение о том, необходимо ли пациенту назначить определенный тип иммунотерапии, зависит от того, выражает ли опухоль этого человека белок, называемый PD-L1," говорит Ли. "Это биомаркер всего лишь из одного белка. В отличие от этого, если мы можем использовать искусственный интеллект для оценки сотен или тысяч фрагментов множества типов данных, включая изображения тканей, а также демографические данные пациентов, медицинскую историю, предыдущие лечения и лабораторные тесты, собранные из клинических заметок, мы можем гораздо точнее определить, кто может получить выгоду."

Для немелкоклеточного рака легких MUSK правильно определял пациентов, получивших пользу от иммунотерапии, примерно в 77% случаев. В то время как стандартный метод прогнозирования ответа на иммунотерапию, основанный на экспрессии PD-L1, был правильным только приблизительно в 61% случаев.

Похожие результаты были получены, когда исследователи обучили MUSK идентифицировать, кто из пациентов с меланомой был наиболее вероятно рецидивировать в течение пяти лет после первоначального лечения. В этом случае модель была правильной примерно в 83% случаев, что на 12% более точно, чем прогнозы, сгенерированные другими базовыми моделями.

"Уникальность MUS

Источник:: AI predicts cancer prognoses, responses to treatment

Новости 09-01-2025

Углерод в нашем теле, вероятно, покинул галактику и вернулся на космическом "конвейере".

Жизнь на Земле не могла бы существовать без углерода. Но и сам углерод не мог бы существовать без звезд. Почти все элементы, кроме водорода и гелия — включая углерод, кислород и железо — существуют только потому, что они были созданы в звездных печах и позже выброшены в космос, когда их звезды погибли. В акте окончательной галактической переработки планеты, подобные нашей, формируются за счет интеграции этих атомов, созданных звездами, в свое строение, будь то железо в ядре Земли, кислород в атмосфере или углерод в телах землян.

Команда ученых из США и Канады недавно подтвердила, что углерод и другие атомы, образованные звездами, не просто бездействуют в космосе, пока их не используют заново. Для галактик, подобной нашей, которые все еще активно создают новые звезды, эти атомы проходят извилистый путь. Они совершают обороты вокруг своей родной галактики на гигантских потоках, которые уходят в межгалактическое пространство. Эти потоки — известные как окологалактическая среда — напоминают гигантские конвейерные ленты, которые выталкивают материю наружу и втягивают ее обратно в галактический интерьер, где гравитация и другие силы могут собирать эти сырьевые материалы в планеты, луны, астероиды, кометы и даже новые звезды.

"Думайте об окологалактической среде как о гигантском вокзале: она постоянно выталкивает материал наружу и втягивает его обратно," - сказала участница команды Саманта Гарса, кандидат наук в Университете Вашингтона. "Тяжелые элементы, которые создают звезды, выбрасываются из их родной галактики в окологалактическую среду через их взрывообразные смерти суперновых, где они в конечном итоге могут быть втянуты обратно и продолжить цикл образования звезд и планет."

Гарса является главным автором статьи, описывающей эти находки, опубликованной 27 декабря в журнале Astrophysical Journal Letters.

"Последствия для эволюции галактик и для природы резервуара углерода, доступного галактикам для формирования новых звезд, вдохновляют," - отметила соавтор Жессика Уерк, профессор и заведующая кафедрой астрономии в UW. "Тот же углерод в наших телах, вероятно, провел значительное время вне галактики!"

В 2011 году команда ученых впервые подтвердила долгосрочную теорию о том, что галактики, формирующие звезды, такие как наша, окружены окологалактической средой — и что этот большой циркулирующий облак материи включает горячие газы, обогащенные кислородом. Гарса, Уерк и их коллеги обнаружили, что окологалактическая среда галактик, формирующих звезды, также циркулирует более холодным материалом, таким как углерод.

"Теперь мы можем подтвердить, что окологалактическая среда действует как гигантский резервуар как для углерода, так и для кислорода," - сказала Гарса. "И, по крайней мере, в галактиках, формирующих звезды, мы предполагаем, что этот материал затем падает обратно на галактику, чтобы продолжить процесс переработки."

Изучение окологалактической среды может помочь ученым понять, как этот процесс переработки прекращается, что, в конечном счете, произойдет для всех галактик — даже для нашей. Одна из теорий заключается в том, что замедление или разрушение вклада окологалактической среды в процесс переработки может объяснить, почему звездные населения галактики со временем уменьшаются.

"Если вы можете продолжить цикл — выталкивать материал наружу и втягивать его обратно — теоретически у вас достаточно топлива, чтобы продолжить образование звезд," - сказала Гарса.

Для этого исследования исследователи использовали Космический спектрограф происхождения на космическом телескопе Хаббл. Спектрограф измерил, как свет от девяти удаленных квазаров — ультраярких источников света в космосе — влияет на околокалатическую среду 11 галактик, формирующих звезды. Показания Хаббла указали на то, что часть света от квазаров поглощается конкретным компонентом в околокалатической среде: углеродом, и в больших количествах. В некоторых случаях они обнаружили углерод, который простирается почти на 400 000 световых лет — или в четыре раза больше диаметра нашей галактики — в межгалактическое пространство.

Требуется дальнейшее исследование, чтобы количественно оценить полный объем других элементов, составляющих околокалатическую среду, и чтобы дополнительно сравнить, как их составы различаются между галактиками, которые все еще создают большое количество звезд, и галактиками, которые в значительной степени прекратили образование звезд. Эти ответы могли бы пролить свет не только на то, когда галактики, подобные нашей, переходят в звездные пустыни, но и почему.

Соавторами статьи являются Тристин Берг, научный сотрудник в Центре астрономии и астрофизики Херцберга в Британской Колумбии; Яков Фаерман, постдокторский исследователь астрономии в UW; Бенжамин Оппенгеймер, научный сотрудник в Университете Колорадо в Боулдере; Ронгмон Бордолой, доцент физики в Университете Северной Каролины; и Сара Эллисон, профессор физики и астрономии в Университете Виктории. Исследование финансировалось NASA и Национальным научным фондом.

Источник:: The carbon in our bodies probably left the galaxy and came back on cosmic 'conveyer belt'

Искусственный интеллект может помочь исследователям в обзоре медицинских карт.

Исследователи Стэнфордской медицины разработали инструмент искусственного интеллекта, который может читать тысячи заметок врачей в электронных медицинских записях и выявлять тенденции, предоставляя информацию, которая, по мнению врачей и исследователей, поможет улучшить качество медицинского обслуживания.

Обычно эксперты, стремящиеся найти ответы на вопросы о лечении, должны просматривать сотни медицинских карт. Но новые исследования показывают, что большие языковые модели — инструменты ИИ, которые могут находить закономерности в сложном письменном языке, могут взять на себя эту неквалифицированную работу, и что их выводы могут иметь практическое применение. Например, инструменты ИИ могут отслеживать медицинские карты пациентов на предмет упоминания опасных взаимодействий между лекарствами или помогать врачам идентифицировать пациентов, которые будут хорошо или плохо реагировать на конкретные методы лечения.

ИИ-инструмент, описанный в исследовании, опубликованном в Pediatrics 19 декабря, был разработан для того, чтобы определить по медицинским записям, получали ли дети с синдромом дефицита внимания и гиперактивности соответствующее последующее лечение после назначения новых медикаментов.

«Эта модель позволяет нам выявлять некоторые пробелы в управлении СДВГ», — сказал главный автор исследования, доктор Яир Баннетт, помощник профессора педиатрии.

Старший автор исследования — доктор Хайди Фельдман, адъюнкт-профессор в области развивающейся и поведенческой педиатрии.

Исследовательская группа использовала выводы инструмента для определения тактик, которые могли бы улучшить, как врачи следят за пациентами с СДВГ и их семьями, отметил Баннетт, добавив, что возможности таких инструментов ИИ могут быть применены ко многим аспектам медицинского обслуживания.

Утомительная работа для человека, легкая задача для ИИ

Электронные медицинские записи содержат информацию, такую как результаты лабораторных анализов или показатели кровяного давления, в формате, который легко сравнить между многими пациентами. Но все остальное — около 80% информации в любой медицинской записи — находится в записях, которые врачи делают о лечении пациента.

Хотя эти заметки полезны для следующего человека, который читает медицинскую карту пациента, их свободные предложения сложно массово анализировать. Эта менее организованная информация должна быть классифицирована, прежде чем она может быть использована для исследований, обычно человеком, который просматривает заметки в поисках конкретных деталей. Новое исследование рассмотрело, можно ли использовать искусственный интеллект для этой задачи.

В исследовании использовались медицинские записи 1,201 детей в возрасте от 6 до 11 лет, которые были пациентами 11 педиатрических первичных служеб в одной и той же сети здравоохранения и получали назначение хотя бы на одно медикаментозное средство для лечения СДВГ. Такие медикаменты могут иметь разрушительные побочные эффекты, такие как подавление аппетита ребенка, поэтому важно, чтобы врачи расспрашивали о побочных эффектах, когда пациенты впервые принимают эти лекарства, и корректировали дозировки по мере необходимости.

Команда обучила существующую большую языковую модель читать заметки врачей, определяя, спрашивались ли дети или их родители о побочных эффектах в первые три месяца после начала приема нового препарата. Модель была обучена на наборе из 501 заметки, которые изучили исследователи. Исследователи учитывали любую заметку, упоминающую либо наличие, либо отсутствие побочных эффектов (например, «снижение аппетита» или «нет потери веса»), как свидетельство того, что последующий осмотр состоялся, в то время как заметки без упоминания о побочных эффектах считались свидетельством того, что последующий осмотр не состоялся.

Эти заметки, проверенные людьми, использовались как то, что в искусственном интеллекте называется «правдой на местности» для модели: исследовательская команда использовала 411 из заметок, чтобы обучить модель тому, как выглядит запрос о побочных эффектах, и оставшиеся 90 заметок для проверки того, может ли модель точно находить такие запросы. Затем они вручную проверили дополнительные 363 заметки и снова протестировали производительность модели, обнаружив, что она правильно классифицировала около 90% заметок.

После того, как большая языковая модель стала хорошо работать, исследователи использовали её для быстрого анализа всех 15,628 заметок в медицинских картах пациентов, задача, на выполнение которой потребовалось бы более семи месяцев полной занятости без ИИ.

От анализа к лучшему обслуживанию

Используя результаты анализа ИИ, исследователи получили информацию, которую они иначе не смогли бы обнаружить. Например, ИИ показал, что некоторые педиатрические практики часто спрашивали о побочных эффектах препаратов во время телефонных разговоров с родителями пациентов, в то время как другие практики этого не делали.

«Это то, что вы никогда не смогли бы обнаружить, если бы не применили эту модель на 16,000 заметок так, как мы это сделали, потому что ни один человек не сядет и не сделает этого», — сказал Баннетт.

ИИ также обнаружил, что педиатры реже задавали уточняющие вопросы о некоторых лекарствах. Детям с СДВГ могут назначаться стимуляторы или, реже, не стимуляторные препараты, такие как некоторые препараты от тревожности. Врачи реже спрашивали о последней категории лекарств.

Это открытие является примером пределов того, что может сделать ИИ, отметил Баннетт: он мог обнаружить закономерность в записях пациентов, но не объяснить, почему эта закономерность существует.

«Нам действительно нужно было поговорить с педиатрами, чтобы понять это», — сказал он, отметив, что педиатры говорили ему, что у них больше опыта в управлении побочными эффектами от стимуляторов.

ИИ-инструмент мог упустить некоторые запросы о побочных эффектах лекарств в своем анализе, отметили исследователи, потому что некоторые беседы о побочных эффектах могли не быть зафиксированы в электронных медицинских записях пациентов, и некоторые пациенты получали специальную помощь — например, у психиатра — которая не отслеживалась в медицинских записях, использованных в этом исследовании. ИИ-инструмент также неправильно классифицировал несколько заметок врачей о побочных эффектах рецептов для других состояний, таких как препараты от акне.

Управление ИИ

Когда ученые создают больше инструментов ИИ для медицинских

Источник:: AI may help researchers with medical chart review

Этот прототип солнцезащитного крема защищает вашу кожу и охлаждает вас.

Ношение солнцезащитного крема важно для защиты кожи от вредного воздействия ультрафиолетового (UV) излучения, но оно не охлаждает людей. Однако новая формула, описанная в журнале ACS Nano Letters, защищает как от UV-излучения, так и от тепла солнца с помощью радиационного охлаждения. Прототип солнцезащитного крема поддерживал температуру человеческой кожи на 11 градусов по Фаренгейту (6 градусов по Цельсию) ниже, чем на голой коже, или примерно на 6 градусов по Фаренгейту (3 градуса по Цельсию) ниже, чем существующие солнцезащитные кремы.

Радиационное охлаждение заключается в отражении или излучении тепла от поверхности, что позволяет охлаждать то, что находится под ней. Эта технология уже используется для создания охлаждающих тканей и покрытий, которые могут как охлаждать, так и нагревать жилые помещения, среди прочих применений. Некоторые технологии пассивного радиационного охлаждения опираются на ингредиент под названием диоксид титана (TiO 2), поскольку это беловатое вещество отражает тепло. Чаще всего частицы TiO 2 используются в минеральных солнцезащитных кремах для отражения UV-излучения, но эти частицы не имеют нужного размера для создания охлаждающего эффекта. Поэтому Руфан Чжан и его коллеги решили настроить размер наночастиц TiO 2, чтобы создать солнцезащитный крем, который будет работать как защитник от UV и как радиационный охладитель.

Команда создала свой солнцезащитный крем, сочетая шесть ингредиентов: наночастицы TiO 2, воду, этанол, увлажняющий крем, пигменты и общепринятый силиконовый полимер, используемый в косметике, называемый полидиметилсилоксаном. Тщательно подбирая размеры наночастиц TiO 2, они получили материал, который отражает как UV-излучение, так и солнечное тепло, придавая охлаждающие свойства. Новая формула продемонстрировала SPF около 50, отталкивающую воду и сохраняла свою эффективность после 12 часов имитации воздействия солнечного света с помощью ксеноновой лампы. Кроме того, при нанесении на кожу животных и людей продукт не вызывал раздражения.

В испытаниях на людях в жаркой и влажной уличной среде новый солнцезащитный крем с радиационным охлаждением обеспечивал участникам кожу на 10.8 F (6.0 C) cooler, чем голая кожа, и на 11.0 F (6.1 C) cooler, чем коммерчески доступные солнцезащитные кремы. Формула недорогая, стоимость всего $0.92 за 10 граммов смеси — на уровне солнцезащитных кремов, уже доступных на рынке. Исследователи утверждают, что их прототип солнцезащитного крема демонстрирует многообещающий коммерческий потенциал, особенно с учетом продолжающегося повышения температур летом.

Авторы выражают благодарность за финансирование Национальной ключевой исследовательской программы, Национальному фонду естественных наук Китая и Совместному исследовательскому фонду Цинхуа-Тойота.

Источник:: This prototype sunscreen protects your skin and cools you off, too

Новости 08-01-2025

Ученые разработали технологию для управления роями киборгов-насекомых.

Ученые из Наньянского технологического университета Сингапура (NTU Singapore), Университета Осака и Университета Хиросимы разработали усовершенствованный алгоритм навигации для роев киборг-насекомых, который предотвращает их застревание при перемещении по сложной местности.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, новый алгоритм представляет собой значительный шаг вперед в области роевой робототехники. Он может открыть новые возможности для применения в гуманитарной помощи, поисково-спасательных операции и инспекции инфраструктуры.

Киборг-насекомые — это настоящие насекомые, оснащенные крошечными электронными устройствами на спинах, которые состоят из различных датчиков, таких как оптические и инфракрасные камеры, аккумулятор и антенна для связи, что позволяет удаленно контролировать их движения для выполнения конкретных задач.

Управление одним киборгом-насекомым впервые продемонстрировал профессор Хиротака Сато из Школы механической и аэрокосмической инженерии NTU Singapore в 2008 году.

Тем не менее, одного насекомого недостаточно для операций, таких как поисково-спасательные миссии, где выжившие после землетрясения разбросаны, и существует оптимальное 72-часовое окно для их обнаружения.

В 2021 и 2024 годах профессор Сато и его партнеры из Научно-технического агентства «Домашняя команда» (HTX) Сингапура и Klass Engineering and Solutions продемонстрировали, как киборг-насекомые могут быть использованы для поисково-спасательных операций в будущем.

В последней публикации о новой системе роя используется динамика «лидер-подписчик», где одно киборг-насекомое выполняет роль лидера группы и управляет 19 другими.

Соавторы статьи, профессор Маэсаки Огуру из Университета Хиросимы и профессор Наоки Вакалия из Университета Осака, разработали алгоритм управления роем и компьютерные программы, в то время как профессор NTU Хиротака Сато и его команда подготовили рой киборг-насекомых, внедрили алгоритм в электронные рюкзаки насекомых и провели физические эксперименты в Сингапуре.

Ученые отметили несколько преимуществ нового алгоритма при проведении лабораторных экспериментов. Позволяя киборг-насекомым двигаться более свободно, удалось снизить риск застревания киборгов в препятствиях; а соседние киборги также могут помочь освободить застрявших или перевернувшихся сородичей.

Как работает рой киборг-насекомых

Ранее проведенные исследования продемонстрировали управление одним киборгом или группой, контролируемой алгоритмами, которые обеспечивали детальные и сложные инструкции для отдельных насекомых, подход, который не позволял координировать движение большой группы.

С помощью нового метода сначала назначается лидерское насекомое, затем ему сообщают о предполагаемом пункте назначения, и его контрольный рюкзак будет координироваться с рюкзаками других членов группы для управления роем.

Этот подход «группового лидера» позволяет роевым насекомым адаптироваться динамически, так как они могут помогать друг другу преодолевать препятствия, регулируя свои движения, если один из членов застревает.

Используемые насекомые – это шершавые тараканы с Мадагаскара, оснащенные легкой печатной платой, датчиками и аккумулятором на своих спинах, которые образуют автономную навигационную систему, помогающую им ориентироваться в окружающей среде и направляя их к цели.

Эти киборги потребляют значительно меньше энергии, чем традиционные роботы, которые полагаются на потребляющие много энергии моторы для движения. Ноги насекомых обеспечивают необходимую локомоцию для передвижения рюкзака, так как рюкзак слегка подталкивает насекомое с помощью электрических стимуляций, направляя его в определенном направлении.

В сочетании с алгоритмом управления роем инстинкты насекомых позволяют им навигировать по сложным местностям и быстро реагировать на изменения в окружающей среде.

В экспериментах новый алгоритм снизил необходимость в подталкивании насекомых примерно на 50 процентов по сравнению с предыдущими подходами, позволяя насекомым более независимо ориентироваться через препятствия и решая такие проблемы, как застревание или ловушка.

Профессор NTU Хиротака Сато отметил, что технология может оказаться полезной в поисково-спасательных миссиях, инспекции инфраструктуры и охране окружающей среды, где узкие пространства и непредсказуемые условия делают традиционных роботов неэффективными.

«Чтобы проводить поисковые и инспекционные операции, необходимо эффективно обследовать большие площади, часто через сложную и загроможденную местность. Концепция предполагает развертывание нескольких роев киборг-насекомых для навигации и инспекции этих затрудненных регионов. Как только датчики на рюкзаке киборг-насекомого обнаруживают цель, такую как люди в поисково-спасательных миссиях или структурные дефекты в инфраструктуре, они могут беспроводным образом оповестить контрольную систему», — объясняет профессор Сато.

Профессор Сато прославился своими новаторскими работами в области киборг-насекомых. Он ранее получил мировое признание, когда его исследование было названо одним из 50 лучших изобретений 2009 года по версии журнала TIME и одной из 10 новых технологий 2009 года (TR10) по версии MIT Technology Review.

Соавтор статьи, профессор Маэсаки Огуру из аспирантуры передовых наук и инженерии Университета Хиросимы, сказал: «Наш алгоритм управления роем представляет собой значительный прорыв в координировании групп киборг-насекомых для сложных поисково-спасательных операций. Эта инновация имеет потенциал значительно повысить эффективность реагирования на бедствия, одновременно открывая новые направления для исследований в области управления роем. Это подчеркивает важность разработки методов управления, которые эффективно работают в реальных сценариях, выходя за рамки теоретических моделей и симуляций.»

Совместный автор, профессор Наоки Вакалия, аспирантура информационных наук и технологий Университета Осака,

Дополнительная информация

• Какие технологии могут быть использованы для улучшения управления роем киборг-насекомых в будущем? - Потенциальные технологии включают в себя усовершенствованные алгоритмы искусственного интеллекта, системы связи с низким энергопотреблением и новые сенсоры для сбора данных о окружающей среде.
• Как работа киборг-насекомых может измениться с развитием новых сенсорных технологий? - Новые сенсорные технологии улучшат способность киборг-насекомых к ориентации и взаимодействию с окружающей средой, что повысит их эффективность и точность выполнения задач.
• Какие сложности могут возникнуть при реализации алгоритма управления роем в реальных условиях? - Основные сложности могут включать проблемы с надежностью связи, изменчивость окружающей среды и необходимость в адаптации алгоритмов к непредвиденным ситуациям.
• Какое значение имеет снижение потребления энергии киборг-насекомыми для их практического применения? - Снижение потребления энергии значительно увеличивает время работы и автономность киборг-насекомых, что делает их более подходящими для долгосрочных задач, таких как мониторинг окружающей среды.
• Какие потенциальные социальные и этические вопросы могут возникнуть в связи с использованием киборг-насекомых? - Вопросы могут касаться возможного нарушения природного баланса, прав животных и последствий для экосистем, а также этических аспектов манипуляции живыми организмами.

Полная версия:: Scientists develop technology to control cyborg insect swarms

Новый метод масс-спектрометрии с использованием отпечатков пальцев открывает путь к изучению протеома.

Ученые из Калтеха разработали метод, основанный на машинном обучении, который позволяет точно измерять массу отдельных частиц и молекул с помощью сложных наномасштабных устройств. Эта новая техника открывает возможность использования различных устройств для измерения массы и, следовательно, идентификации белков, что может проложить путь к определению последовательности полного протеома — совокупности всех белков в организме.

Белки — это двигатели живых систем. То, какие белки синтезируются, где и в каком количестве, может предоставить важную информацию о здоровье систем, подсказки о том, что происходит в случае болезни, и потенциальные подходы к борьбе с ней. Однако у ученых пока нет способа охарактеризовать целые протеомы.

«Мы говорим о масс-спектрометрии на уровне отдельных молекул; о возможности смотреть на целые белки в реальном времени без их разрезания», — говорит Майкл Роукс, профессор физики, прикладной физики и биоинженерии и автор статьи в журнале Nature Communications, описывающей новую технику. «Если у нас есть метод, позволяющий измерять массу одной молекулы с высокой пропускной способностью, чтобы мы могли измерить миллионы белков в разумные сроки, тогда мы можем фактически понять полный протеом организмов, включая людей».

Масс-спектрометрия — это распространенный аналитический инструмент, который ученые используют для выполнения всевозможных молекулярных исследований. Начинается с таинственной пробы, ионизируется ее (т.е. наделяется зарядом, удаляя один или несколько электронов) и отправляется по заданному пути. Затем используется магнитное или электрическое поле, чтобы слегка толкнуть ионы сбоку и посмотреть, насколько далеко они движутся. Чем легче и положительно заряжены ионы, тем больше их отклонение; это предоставляет способ измерить массу и заряд каждого из различных ионов. С этой информацией исследователи могут попытаться выяснить химический состав образца.

Масс-спектрометрию используют для самых разных целей, включая анализ следов элементов в криминалистике, обнаружение биомаркеров заболеваний и анализ остатков пестицидов. Однако начальный этап ионизации не подходит для всех образцов, особенно для биологических, которые могут быть изменены в процессе.

Все становится более сложным, когда образцы становятся крошечными, например, когда ученым нужно определить массу отдельного белка. За последние два десятилетия с развитием сложных наномасштабных устройств, называемых наноэлектромеханическими системами (NEMS), стало возможным проводить тип масс-спектрометрии, который не требует предварительной ионизации образца. Это привело к рутинным измерениям масс небольших молекул в реальном времени. С таким подходом ученым не нужно делать лучшие предположения при интерпретации того, какие химические вещества с большей вероятностью могут находиться в образце. Тем не менее, этот метод исключил некоторые сложные устройства NEMS из использования для масс-спектрометрии.

Масс-спектрометрия с использованием NEMS обычно осуществляется с помощью кремниевого устройства, которое можно рассматривать как крошечную перекладину, прикрепленную с обеих сторон. Когда по перекладине ударяют, она резонирует, как струна гитары, и движется вверх и вниз с определенными формами мод, проявляющимися на различных частотах.

Если образец помещается на такую перекладину, отдельные частоты вибрационных модов перекладины изменяются. «Из этих изменений частот можно вывести массу образца», — говорит Джон Сейдер, исследователь-профessor аэрокосмической и прикладной физики в Калтехе и старший автор новой статьи. «Но для этого нужно знать форму каждой моды. Это в основе всех этих измерений — нужно знать, как эти устройства вибрируют».

С новейшими устройствами NEMS не всегда возможно точно определить форму моды. Это связано с тем, что на наномасштабном уровне существуют вариации или несовершенства от устройства к устройству, которые могут незначительно изменить формы мод. И сложные устройства NEMS, которые исследователи разработали для изучения фундаментальной физики квантовой области, имеют крайне сложные трехмерные моды, частоты которых очень близки друг к другу. «Невозможно просто рассчитать формы мод и их частоты с помощью теории и предположить, что они сохраняются во время измерения», — говорит Сейдер.

Еще одно осложнение заключается в том, что точное место, где образец помещается в устройстве, влияет на частотные измерения перекладины. Если подумать об этом простом устройстве, если образец помещен близко к одному из прикрепленных концов, частота не изменится так сильно, как если бы он был помещен ближе к центру, где вероятность большей амплитуды вибрации выше. Но в устройствах размером примерно один микрон на один микрон невозможно визуализировать точное местоположение образца.

Отпечатки пальцев указывают расположение и приводят к массе

Сейдер, Роукс и их коллеги разработали новую технику, которую они называют «масс-спектрометрия с использованием отпечатков пальцев на основе наноэлектромеханики», которая обходит эти проблемы.

Следуя этому методу, исследователи случайным образом помещают отдельную частицу на устройство NEMS под ульвысоким вакуумом и при ультрал низкой температуре. В реальном времени они измеряют, как частоты нескольких модов устройства изменяются в зависимости от этого размещения. Это позволяет им построить высокоразмерный вектор, представляющий эти изменения частоты, с одним размером вектора для каждой моды. Повторяя это для частиц, помещенных в различных случайных местах, они создают библиотеку векторов для устройства, которая используется для обучения программного обеспечения машинного обучения.

Оказывается, каждый вектор является своего рода отпечатком пальца. У него есть идентифицируемая форма — или направление — которое уникально изменяется в зависимости от того, где приземляется частица.

«Если я возьму частицу с неизвестной массой и помещу ее в любом месте на устройстве NEMS — я не знаю, где она приземлилась; на самом деле, мне это не очень важно — и измерю частоты вибрационных мод, это даст мне вектор, указывающий в определенном направлении», — объясняет Сейдер. «Если я затем сравню его со всеми вектора

Дополнительная информация

• Каковы основные преимущества использования машинного обучения в масс-спектрометрии по сравнению с традиционными методами? - Машинное обучение позволяет более точно и быстро анализировать данные, выявляя сложные шаблоны и улучшая идентификацию веществ по сравнению с традиционными методами.
• Как наноэлектромеханические системы отличаются от других типов масс-спектрометрических методов? - Наноэлектромеханические системы используют механические колебания на наноуровне для измерения массы частиц, что обеспечивает высокую чувствительность и разрешение в отличие от других методов.
• Какова роль белков в живых организмах и как нарушения их синтеза могут влиять на здоровье? - Белки выполняют множество функций, включая каталитическую и структурную, и их нарушения могут приводить к заболеваниям, так как это нарушает нормальные биохимические процессы.
• Какие примеры использования масс-спектрометрии в различных научных областях можно привести? - Масс-спектрометрия применяется в протеомике для анализа белков, в метабомике для изучения метаболитов и в фармацевтике для разработки новых лекарств.
• Как моделирование частоты мод влияет на точность измерений в масс-спектрометрии? - Моделирование частоты мод помогает учитывать динамические параметры системы, что повышает точность и стабильность измерений массы частиц.
• Как отпечатки пальцев помогают в оценке массы частиц в новом методе? - Отпечатки пальцев используются для уникальной идентификации частиц, что позволяет точно определять их массу и состав в рамках новых методов масс-спектрометрии.
• Как особые условия (ультравысокий вакуум и ультрал низкая температура) влияют на работу нового метода масс-спектрометрии? - Ультравысокий вакуум минимизирует взаимодействие с окружающей средой, а ультрал низкая температура снижает тепловые колебания, что улучшает точность измерений массы.
• Какой вклад в изучение протеома может иметь данный метод для медицины? - Новый метод может позволить более глубокое понимание структуры и функции белков, что поможет в диагностике заболеваний и разработке новых терапий.
• Какие другие области науки могут извлечь выгоду из нового метода масс-спектрометрии? - Этот метод может быть полезен в экологии для анализа загрязняющих веществ, в криминалистике для идентификации образцов и в пищевой промышленности для контроля качества.
• Какие будущие перспективы могут открыться благодаря изучению полного протеома с использованием нового метода? - Изучение полного протеома может привести к более персонализированной медицине, улучшенной диагностике и новым подходам в лечении различных заболеваний.

Полная версия:: New fingerprint mass spectrometry method paves the way to solving the proteome

Новая квантовая сенсорная технология раскрывает субатомные сигналы.

С 1950-х годов ученые использовали радиоволны для выявления молекулярных "отпечатков" неизвестных материалов, что помогало в самых разных задачах, таких как сканирование человеческого тела с помощью МРТ и обнаружение взрывчатых веществ в аэропортах.

Однако эти методы основаны на сигналах, усредненных от триллионов атомов, что делает невозможным обнаружение малейших вариаций между отдельными молекулами. Такие ограничения мешают приложениям в таких областях, как исследование белков, где небольшие различия в форме контролируют функциональность и могут определять разницу между здоровьем и болезнью.

Субатомные открытия

Теперь инженеры в Школе инженерного дела и прикладных наук Университета Пенсильвании (Penn Engineering) использовали квантовые сенсоры для реализации революционной вариации ядерной квадратрупольной резонансной (NQR) спектроскопии, техники, традиционно используемой для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ или анализа фармацевтики.

Как описано в журнале Nano Letters, новый метод так точен, что может обнаруживать сигналы NQR от отдельных атомов — достижение, ранее считавшееся недостижимым. Эта беспрецедентная чувствительность открывает двери для прорывов в таких областях, как разработка лекарств, где понимание молекулярных взаимодействий на атомном уровне является критически важным.

"Эта техника позволяет нам изолировать отдельные ядра и выявлять небольшие различия в том, что считалось идентичными молекулами", — говорит Ли Басетт, доцент электрической и системной инженерии (ESE), директор Квантовой инженерной лаборатории Пенна (QEL) и старший автор статьи. "Сосредоточив внимание на одном ядре, мы можем раскрыть детали молекулярной структуры и динамики, которые ранее были скрыты. Эта возможность позволяет нам изучать строительные блоки естественного мира на совершенно новом уровне."

Неожиданное открытие

Открытие произошло в результате неожиданного наблюдения во время рутинных экспериментов. Алекс Брейтвайзер, недавний доктор философии по физике из Школы искусств и наук Пенна и соавтор статьи, который в настоящее время является исследователем в IBM, работал с центрами азот-ослабленных вакансий (NV) в алмазах — атомными дефектами, часто используемыми в квантовом сенсоринге, когда заметил необычные закономерности в данных.

Периодические сигналы выглядели как экспериментальный артефакт, но сохранялись даже после обширного устранения неполадок. Вернувшись к учебникам с 1950-х и 60-х годов по ядерному магнитному резонансу, Брейтвайзер идентифицировал физический механизм, который объяснял то, что они наблюдали, но который ранее был отвергнут как экспериментально незначительный.

Достижения в технологии позволили команде обнаружить и измерить эффекты, которые ранее были недоступны научным приборам. "Мы поняли, что видим не просто аномалию", — говорит Брейтвайзер. "Мы вторглись в новый режим физики, к которому можем получить доступ с этой технологией."

Беспрецедентная точность

Понимание эффекта было дополнительно развито через сотрудничество с исследователями Технического университета Делфта в Нидерландах, где Брейтвайзер проводил исследования по связанным темам в рамках международной стипендии. Объединив экспертизу в области экспериментальной физики, квантового сенсоринга и теоретического моделирования, команда создала метод, способный захватывать отдельные атомные сигналы с экстраординарной точностью.

"Это немного похоже на изолирование одной строки в огромной таблице Excel", — объясняет Матье Уэле, недавний доктор философии по ESE и другой соавтор статьи. "Традиционная NQR дает нечто вроде среднего значения — вы получаете общее представление о данных, но ничего не знаете о отдельных пунктах. С этим методом, как будто мы раскрыли все данные, стоящие за средним, изолировав сигнал от одного ядра и выявив его уникальные свойства."

Расшифровка сигналов

Определение теоретических основ неожиданного экспериментального результата потребовало значительных усилий. Уэле пришлось тщательно проверять различные гипотезы, проводить симуляции и выполнять расчеты, чтобы сопоставить данные с возможными причинами. "Это немного похоже на диагностику пациента по симптомам", — объясняет он. "Данные указывают на что-то необычное, но часто существует несколько возможных объяснений. Потребовалось достаточно времени, чтобы прийти к правильному диагнозу."

Смотрев вперед, исследователи видят огромный потенциал своего метода для решения актуальных научных проблем. Характеризуя феномены, которые ранее были скрыты, новый метод может помочь ученым лучше понять молекулярные механизмы, формирующие наш мир.

Это исследование было проведено в Школе инженерного дела и прикладных наук Университета Пенсильвании и поддержано Национальным научным фондом (ECCS-1842655, DMR-2019444). Дополнительная поддержка поступила от Совета по естественным наукам и инженерным наукам Канады, через стипендию для аспирантов, присужденную Уэле, и от IBM, через стипендию для аспирантов, присужденную Брейтвайзеру.

Дополнительными соавторами являются Цзю-Юн Хуан, ранее аспирант по ESE в Penn Engineering, ныне работающий в Nokia Bell Labs, и Тим Х. Таминиау из Технического университета Делфта.

Дополнительная информация

• Какое значение имеет азот-ослабленная вакансий (NV) для квантового сенсоринга? - Азот-ослабленная вакансий (NV) имеет важное значение для квантового сенсоринга, так как она позволяет достигать высокой разрешающей способности и чувствительности при измерениях магнитных полей, что открывает новые возможности в области метролгии и биомедицинских исследований.
• Как работает NQR спектроскопия, и какие её ограничения? - NQR спектроскопия работает на основе ядерной гамма-резонансной спектроскопии, позволяя изучать молекулы, но её ограничения включают необходимость в наличии определённых условий и низкую чувствительность к низким концентрациям образцов.
• Какую роль сыграли средства от Национального научного фонда в этом исследовании? - Средства от Национального научного фонда сыграли ключевую роль в финансировании исследований и разработок в области квантового сенсоринга и молекулярных технологий, способствуя прогрессу в научных открытиях.

Полная версия:: New quantum sensing technology reveals sub-atomic signals

Новости 07-01-2025

Искусственный интеллект сокращает стоимость и время разработки микросхем, но это ещё не всё.

Специализированные микросхемы для управления сигналами в передовых беспроводных технологиях демонстрируют значительные достижения в области миниатюризации и инженерии. Однако их разработка часто требует значительных затрат времени и средств. Исследователи из Принстонского университета и Индийского технологического института разработали метод, позволяющий при помощи искусственного интеллекта значительно сократить время и стоимость проектирования новых беспроводных микросхем. В статье, опубликованной в Nature Communications, описывается их инновационный подход, где ИИ создает сложные электромагнитные структуры и соответствующие схемы в микросхемах, достигая результатов в течение часов, тогда как раньше это занимало недели.

Система, основанная на искусственном интеллекте, создает нестандартные дизайны, которые трудно представить человеческим разработчикам, но которые обеспечивают значительные улучшения по сравнению с существующими высокопроизводительными микросхемами. Ведущий исследователь Каушик Сенгупта отметил, что, хотя такие конструкции могут быть непонятны людям, они часто демонстрируют превосходные характеристики.

Новые схемы можно разработать для большей энергоэффективности или работы в более широком частотном диапазоне, чем это возможно в настоящее время. Метод позволяет синтезировать сложные структуры за считанные минуты, в отличие от недель, требуемых традиционными алгоритмами. В некоторых случаях этот подход позволяет создавать конструкции, невозможные для реализации с использованием текущих технологий.

Несмотря на то, что ИИ может создавать непрактичные конструкции, человеческое вмешательство остается важным. Сенгупта отметил, что ИИ повышает производительность, но не заменяет человеческих дизайнеров, которые необходимы для исправления ошибок ИИ и создания инновационных решений. Исследователи планируют использовать ИИ для проектирования целых беспроводных микросхем, и Сенгупта видит дальнейшие исследования, сосредоточенные на создании более сложных систем, предполагая, что это открытие лишь поверхностно затрагивает потенциальные достижения в этой области.

Дополнительная информация

• Какие преимущества использования ИИ в проектировании микросхем по сравнению с традиционными методами? - Искусственный интеллект позволяет автоматизировать многие этапы проектирования микросхем, что ускоряет процесс и снижает вероятность ошибок. ИИ также способен находить нетрадиционные решения и оптимизировать проектирование с учётом множества факторов, что часто недоступно при ручном подходе.
• Какие сложности могут возникнуть при внедрении ИИ в процесс проектирования микросхем? - Применение ИИ требует значительных вычислительных ресурсов и может потребовать переподготовки персонала. Кроме того, интеграция ИИ-систем может быть сложной из-за необходимости совместимости с существующими инструментами и процессами.

Полная версия:: AI slashes cost and time for chip design, but that is not all

Изменение климата ускоряет облетание лесов, способствуя распространению инвазивных видов.

Из-за изменения климата обостряется проблема губчатой моли в Северной Америке, как показывают компьютерные модели, разработанные Университетом Чикаго и Национальной лабораторией Аргонна. Эта инвазивная моль, представляющая серьезную угрозу для лесов, распространяется быстрее из-за более теплых и сухих условий, которые снижают действие гриба, естественного врага моли.

Губчатая моль, впервые появившаяся в лесах из твердых пород Новой Англии в 1869 году, изначально из Европы, распространяется при помощи людей, перемещающих зараженные объекты. Гусеницы моли пожирают листья деревьев, особенно дубов, что делает ее особо разрушительной. Гриб Entomophaga maimaiga, появившийся в 1989 году, успешно контролирует численность моли, но нуждается в прохладных и влажных условиях для успешного распространения.

Многолетние исследования профессора Грега Двайера сосредоточены на моделировании взаимодействий между видами и инфекционными заболеваниями. Анализ климатических данных улучшил точность моделей, изучающих взаимодействия моли с природными врагами и климатическими условиями. Совместная работа с учеными-атмосферологами позволила учесть специфику погодных условий в разных регионах и динамику взаимодействий.

Модели предсказывают уменьшение числа заражений грибком из-за изменения климата, что увеличит число моли, выживающей и разрушающей леса. По мнению Двайера, эти прогнозы могут быть недостаточно пессимистичными, учитывая недавние погодные изменения, уже спровоцировавшие значительные вспышки моли.

Дополнительная информация

• Какие особенности экологической устойчивости способствуют успешности гриба Entomophaga maimaiga в контроле популяции моли? - Гриб Entomophaga maimaiga обладает высокой экологической устойчивостью благодаря способности к быстрому распространению и адаптивному жизненному циклу, что позволяет ему эффективно контролировать популяции губчатой моли.
• Какие еще инвазивные виды, помимо губчатой моли, становятся более разрушительными из-за изменения климата? - Изменение климата способствует распространению инвазивных видов, таких как жук короед и азиатский длиннорогий жук, поскольку повышение температур и изменение режимов осадков создают более благоприятные условия для их размножения и распространения.

Полная версия:: Climate change is accelerating forest defoliation by helping invasive species spread

Прорыв в проектировании "умных клеток".

Биоинженеры из Университета Райса сделали значительный прорыв в синтетической биологии, создав конструктор для разработки настраиваемых цепей реагирования в человеческих клетках. Это исследование, опубликованное в журнале Science, может изменить подходы к лечению сложных заболеваний, таких как аутоиммунные болезни и рак. Основой исследования является создание "умных клеток", способных обнаруживать индикаторы заболеваний и автономно высвобождать индивидуально подобранные препараты.

Техника проектирования клеточных цепей основана на фосфорилировании, естественном процессе добавления фосфатной группы к белку. Это ключевой процесс для таких клеточных функций, как преобразование внешних сигналов в реакции. В многоклеточных организмах фосфорилирование часто действует как каскадное, что аналогично падающим домино. Однако сложность этих путей ограничивает их практическое применение.

Исследование Университета Райса открывает путь для активного использования фосфорилирования в созданных "умных клетках". Понимание того, что последовательности фосфорилирования состоят из взаимосвязанных циклов, позволило использовать их как строительные блоки для создания новых путей между входными и выходными сигналами клеток. Это новшество существенно расширяет возможности проектирования сигнальных цепей, не нарушая жизнедеятельность клеток.

Несмотря на кажущуюся простоту, методология построения и связывания этих единиц оказалась сложной задачей. Внедрение синтетических цепей в живые клетки стало значительным достижением, демонстрируя их эффективность и быстродействие. Модульный подход к проектированию клеточных цепей обеспечивает трансформацию слабых сигналов в мощные выходы, что важно для лечения внезапных изменений в организме. Это открывает путь для более эффективных и быстрых процессоров реагирования в медицинских приложениях.

Дополнительная информация

• Как другие исследователи в области синтетической биологии могут использовать фосфорилирование для разработки технологий? - Исследователи могут использовать фосфорилирование для разработки биотехнологий, такие как создания искусственных клеточных систем, где изменение активности белков может быть использовано для контроля различных биологических процессов.
• Какие преимущества дают модульные подходы в создании клеточных цепей? - Модульные подходы позволяют конструкции клеточных цепей быть более гибкими и перенастраивамыми, что способствует удобству в сборке и модификации биологических систем для различных задач.

Полная версия:: Breakthrough for 'smart cell' design

Новости 06-01-2025

Исследование гравитации в соответствии с теорией общей относительности Эйнштейна

Гравитация была и остается ключевым фактором, формирующим нашу вселенную. Новое исследование, проведенное с использованием данных прибора для спектроскопии темной энергии (DESI), открыло революционные взгляды на развитие космических структур за последние 11 миллиардов лет. Это самый точный на текущий момент анализ гравитации на таких огромных масштабах.

DESI, международный проект, в котором участвуют более 900 ученых, координируется Лабораторией Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США. Исследование показало, что гравитация работает в соответствии с теорией общей относительности Эйнштейна даже на космических масштабах, что укрепляет модель устройства вселенной и ставит под сомнение теории, предлагающие альтернативные объяснения, например, относительно роли темной энергии в ускоренном расширении вселенной.

Полин Заррук, космолог из Национального центра научных исследований Франции, подчеркнула значимость проверки общей относительности на более крупном уровне. Исследование космических темпов формирования галактик подтвердило точность предсказаний общей относительности, что помогает уточнить наше понимание универсальных законов на огромных масштабах, подтверждая давние теоретические модели.

Исследование также внесло вклад в уточнение оценок массы нейтрино, частицы, массы которых сложно измерить. Прошлые эксперименты установили минимальную сумму масс нейтрино, и результаты DESI теперь предполагают верхний предел, что сужает возможности, в которых может быть масса нейтрино, и добавляет важный аспект к головоломке физики частиц.

Результаты исследования, представленные в нескольких статьях на arXiv, использовали данные миллионов галактик и квазаров, чтобы заглянуть на 11 миллиардов лет назад. Исследование, проведенное за первый год DESI, установившее рекорд по измерению роста космических структур, значительно превысило предыдущие попытки, на которые ушли десятилетия. Исследование включает в себя анализ и методы слепого тестирования для обеспечения объективных результатов.

Дополнительная информация

• Что такое прибор для спектроскопии темной энергии (DESI) и какие задачи он выполняет? - DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — это прибор, который изучает распределение галактик по всей Вселенной. Его основная задача — помочь понять, что такое тёмная энергия, измеряя расстояния до миллионов галактик и распределение их в пространстве.
• Как теория общей относительности Эйнштейна объясняет гравитацию на космических масштабах? - Согласно общей теории относительности, гравитация является следствием искривления пространства-времени массивными объектами. На космических масштабах это объясняет орбиты планет, траектории света и расширение Вселенной.
• Почему понимание массы нейтрино является важным для физики частиц? - Масса нейтрино важна для понимания структуры Вселенной и процессов, происходящих в ней, таких как формирование галактик. Также она помогает прояснить свойства элементарных частиц и связи между различными силами во Вселенной.

Полная версия:: Research on gravity in line with Einstein's theory of general relativity

Элементарная квантовая сеть между городами Нидерландов

Исследовательская команда под руководством QuTech достигла важного рубежа, установив сетевое соединение между квантовыми процессорами на метрополитенском расстоянии. Этот успех стал значительным шагом к созданию квантового интернета, выходящего за пределы экспериментальных лабораторных сетей. Команде удалось создать 25-километровую квантовую связь, используя полностью независимые узлы и интегрированное волоконно-оптическое интернет-соединение, результаты работы опубликованы в Science Advances.

В отличие от текущего интернета, позволяющего делиться информацией в виде битов по всему миру, будущее квантового интернета позволит передавать квантовую информацию (кубиты). Кубиты обладают уникальной способностью существовать в суперпозиции, принимая значения 0 и 1 одновременно, и могут быть спутаны для создания мгновенных корреляций вне зависимости от расстояния. Исследователи стремятся использовать эти свойства для создания новых возможностей в области связи и вычислений, которые могут сосуществовать с текущей интернет-инфраструктурой.

Строительство квантовых сетей, которые используют эти характеристики, может революционизировать меры безопасности для конфиденциальных данных и повысить мощность квантовых вычислений через взаимосвязанные сети. Например, спутанные кубиты могут упростить генерацию безопасных ключей шифрования или соединение квантовых компьютеров на больших расстояниях, обеспечивая конфиденциальность и безопасность в обмене данными. Эти сети обещают принести новый уровень интеграции как в системы связи, так и в вычислительные мощности.

Вне рамок лабораторных экспериментов команда во главе с Рональдом Хансоном из QuTech соединила квантовые компьютеры между Делфтом и Гаагой. Команда установила рекорд по созданию квантовой спутанности на расстоянии 25 км через развернутое подземное волокно. Это первый успешный случай соединения квантовых процессоров между различными городами, что является значительным техническим достижением.

Переход от лабораторных экспериментов к реальным квантовым связям представлял значительные вызовы. Команда должна была разработать системы, способные работать независимо на большие расстояния, справляться с потерей фотонов, влияющей на скорость соединения, и добиваться надежного подтверждения успешного спутывания. Для преодоления этих препятствий команда внедрила фотонно-эффективный протокол, требующий точной стабилизации волоконного канала, что позволило успешно реализовать квантовую связь на такие длинные расстояния.

Дополнительная информация

• Что такое суперпозиция в контексте кубитов? - Суперпозиция - это способность кубита быть одновременно в состоянии 0 и 1, что позволяет квантовым компьютерам проводить параллельные вычисления.
• Какие меры используются для подтверждения успешного спутывания кубитов? - Для подтверждения спутывания кубитов часто используют тесты Белла, которые проверяют корреляцию между состояниями пар спутанных кубитов.

Полная версия:: A rudimentary quantum network link between Dutch cities

Новая спектроскопия раскрывает квантовые секреты воды

Недавно разработанный метод коррелированной вибрационной спектроскопии (CVS) от команды Сильви Рок из EPFL предоставляет важные данные о поведении молекул воды в сетях водородных связей. До настоящего времени явления в этих сетях изучались в основном через симуляции. Однако с внедрением CVS теперь возможно различать взаимодействующие и невзаимодействующие молекулы, чего не удавалось достигать предыдущими методами. Это позволяет ученым точнее фиксировать взаимодействия на молекулярном уровне и получать спектры колебаний для разных типов молекул, что важно для определения таких параметров, как передача электронного заряда и сила водородных связей.

Метод CVS стал настоящим прорывом в области характеристики взаимодействия материалов. При помощи фемтосекундных лазерных импульсов в ближнем инфракрасном диапазоне исследователи наблюдали молекулярные взаимодействия, учитывая пространственную организацию и атомные смещения. Им удалось разделить спектры взаимодействующих и невзаимодействующих молекул, меняя положение детектора и используя комбинации поляризованного света.

Исследователи планируют расширить применение CVS на различные материалы, проводя новые эксперименты по характеристикам. Это может существенно помочь в изучении сложных систем и процессов на молекулярном уровне, подчеркивая универсальность и мощь метода CVS в науке. Точные измерения силы водородных связей открывают новые возможности для изучения молекулярных взаимодействий в самых разнообразных средах, от электролитов и сахаров до ДНК и белков.

Полная версия:: A new spectroscopy reveals water's quantum secrets

Новости 05-01-2025

Новый нанокристаллический материал — ключевой шаг к более быстрому и энергоэффективному вычислению

Учёные, включая исследователя химии из Университета штата Орегон, сделали важный шаг на пути к следующему поколению оптических вычислений и памяти, открыв люминесцентные нанокристаллы, которые могут быстро переключаться из светлого состояния в тёмное и обратно.

Эти нанокристаллы обладают исключительными возможностями переключения и запоминания, что может стать основой для оптических вычислений — метода обработки и хранения информации с использованием световых частиц, которые двигаются быстрее всего во Вселенной. Это открытие может продвинуть искусственный интеллект и информационные технологии в целом, сказал Артиом Скрипка, доцент Колледжа естественных наук Университета штата Орегон.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics, исследователями из национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Колумбийского университета и Автономного университета Мадрида, охватывает материалы, известные как лавинные наночастицы. Эти наноматериалы могут интенсивно испускать свет при незначительном увеличении интенсивности лазерного возбуждения.

Особенностью открытых нанокристаллов является их внутренняя оптическая бистабильность, что позволяет им сохранять излучение при меньших энергозатратах после начальной активации. Это свойство можно сравнить с ездой на велосипеде, где чтобы начать движение, требуется больше усилий, а впоследствии поддерживать движение значительно проще.

Низкоэнергетическое переключение нанокристаллов способствует глобальным усилиям по снижению энергопотребления из-за быстрого роста искусственного интеллекта и электронных устройств. Эта технология обещает более быстрые и эффективные процессоры данных, что способствует улучшению алгоритмов машинного обучения и анализа данных.

Исследование финансировалось Министерством энергетики США, Национальным научным фондом и Агентством перспективных исследовательских проектов обороны, и для его успешного завершения понадобились усилия нескольких университетов и лабораторий. Эти разработки подчеркивают важность фундаментальных исследований для продвижения инноваций и экономического роста, отмечает Скрипка.

Дополнительная информация

• Что такое оптические вычисления, и как они отличаются от традиционных вычислений? - Оптические вычисления используют свет для обработки и передачи данных, что может увеличить скорость и уменьшить теплопотери по сравнению с традиционными электрическими системами.
• Какие другие применения могут иметь нанокристаллы с внутренней оптической бистабильностью, кроме вычислений? - Они могут использоваться в оптических сенсорах, системах связи и возможных новаторских подходах к улучшению пропускной способности информационных систем.
• Какие существуют текущие технологии или разработки в области снижения энергопотребления в электронных устройствах? - Это улучшенные литий-ионные батареи, энергосберегающие процессоры и алгоритмы оптимизации, которые минимизируют потребление энергии при обработке данных.

Полная версия:: New nanocrystal material a key step toward faster, more energy-efficient computing

Белок у данио-рерио раскрывает потенциал спящих генов для восстановления сердца

Исследователи из Института Хубрехта под руководством Йеруна Баккерса достигли значительного прогресса в регенерации сердца, используя белок, найденный у данио-рерио, известный как Hmga1. Этот белок признан важным для восстановления поврежденного сердца у мышей без негативных эффектов, таких как увеличение сердца. Исследование, поддержанное фондом Dutch Heart Foundation и Hartekind Foundation, было опубликовано в январе 2025 года в журнале Nature Cardiovascular Research, обозначив важный шаг к развитию регенеративных методов для предотвращения сердечной недостаточности у людей.

Сердечная недостаточность, состояние, при котором сердце не может эффективно перекачивать кровь, часто возникает после инфаркта миокарда из-за потери множества мышечных клеток, которые не способны к регенерации. В отличие от этого, данио-рерио демонстрируют удивительную способность к регенерации клеток сердечной мышцы, восстанавливая полную функцию в течение 60 дней после повреждения. Баккерс отметил, что понимание причин, по которым некоторые виды способны к такой регенерации, а другие нет, может привести к разработке терапий для людей после тщательного изучения и сравнений между видами.

Исследователи сосредоточились на белке Hmga1, который активирует специфические гены для восстановления сердца у данио-рерио. Ведущий автор исследования Деннис де Баккер описал их подход, сравнивая активность генов в сердцах данио-рерио и мышей. Они обнаружили, что ген белка Hmga1, активный у данио-рерио во время регенерации сердца, неактивен у мышей, что подчеркивает ключевую роль Hmga1 в восстановлении сердца, особенно во время эмбрионального развития, когда происходит интенсивный рост клеток.

Дальнейшие исследования показали, что Hmga1 действует, удаляя молекулярные «преграды» на хроматине, структуре, упаковующей ДНК. Коавтор Мара Боумен пояснила, что когда хроматин плотно упакован, гены остаются бездействующими, но распаковка позволяет генам активироваться. "Hmga1, так сказать, расчищает путь, позволяя спящим генам возобновить работу", пояснила она, демонстрируя, как этот белок содействует регенерации сердца, возрождая дремлющие гены восстановления.

Команда исследователей показала, что применение белка Hmga1 к поврежденным сердцам мышей стимулирует регенерацию, подобную его эффективности у данио-рерио, улучшая функцию сердца. Важно, что это регенеративное действие было локализовано только в поврежденных областях, что предотвращает чрезмерный рост или увеличение сердца. Боумен отметила, "Это говорит о том, что само повреждение посылает сигнал для активации процесса," подчеркивая точность и потенциал применения Hmga1.

Несмотря на обнадеживающие результаты, которые открывают новые направления для разработки регенеративных терапий сердца, необходимо дальнейшее исследование и уточнение методики перед клиническим применением. Следующие этапы включают тестирование эффективности белка на клетках сердечной мышцы человека в культуре, в сотрудничестве с UMC Utrecht, и предстоящую программу саммита 2025 года (DRIVE-RM) для продвижения исследований регенерации сердца. "Нам нужно дополнительно проработать и протестировать терапию, прежде чем она будет доведена до клинического применения," заявил Баккерс.

Это новаторское исследование стало результатом совместной работы ученых из Института Хубрехта и других учреждений в составе консорциума OUTREACH при финансовой поддержке голландских фондов. Боумен отметила, что это сотрудничество расширило их обычное внимание к данио-рерио, включив исследования на мышах, благодаря партнерству с группами, такими как Van Rooij и Christoffels. "Мы очень рады, что смогли наладить эти сотрудничества," сказала Боумен, выражая оптимизм, что открытия на основе данио-рерио в конечном итоге принесут пользу человеческой регенерации сердца.

Дополнительная информация

• Какие другие животные, помимо данио-рерио, обладают способностью к регенерации сердца? - Некоторые амфибии, такие как аксолотли, также обладают способностью к регенерации сердца.
• Какие существующие методы используются для исследования генетических механизмов, подобных тем, которые задействованы в регенерации сердца? - Для изучения генетических механизмов регенерации используются методы, такие как CRISPR для редактирования генов, и секвенирование РНК для изучения экспрессии генов.

Полная версия:: Zebrafish protein unlocks dormant genes for heart repair

Облачные вычисления захватывают химические коды

Инициативу по демократизации доступа к новейшим ресурсам облачных вычислений возглавляет разнообразная команда ученых и экспертов в области вычислительной техники из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL). Будучи в партнерстве с Microsoft и другими национальными лабораториями и университетами, команда разрабатывает дорожную карту, чтобы перенести научные вычисления в устойчивую экосистему. Это намерение — использовать облачные вычисления для поддержки возможностей мощных вычислительных центров, которые традиционно доминируют в научных вычислениях.

Кароль Ковальски, вычислительный химик PNNL, возглавляет эту междисциплинарную инициативу и описывает ее как новую парадигму научных вычислений. Превращая программное обеспечение в услугу облачных ресурсов, команда продемонстрировала концепцию, что облачные вычисления могут значительно дополнять высокопроизводительные вычисления для решения сложных научных задач. Это развитие знаменует движение к более гибкой, доступной по запросу модели вычислений, которая может преобразить подход к научным проблемам.

Облако, которое традиционно воспринималось как решение для хранения данных, сейчас предлагает вычислительную мощность как услугу для различных отраслей, включая финансовую и фармацевтическую. На этом направлении исследовательская группа стремится перенести интенсивные алгоритмы на облако, которые важны для оценки новых химических соединений, полимеров и покрытий. Этот переход в облачную среду вычислений является частью более широкой инициативы под названием Перенос вычислительной химии экзауровня в облачную среду и новые аппаратные технологии (TEC4).

Инициатива TEC4 продолжает усилия в рамках сообщества вычислительной химии, адаптируя программное обеспечение к меняющимся научным и аппаратным требованиям. В своей публикации команда обсуждает производительность существующих алгоритмов и новое программное обеспечение для современных архитектур GPU. Их исследования показывают, что облачные вычисления значительно ускоряют процессы вычислительной химии, сокращая временные рамки с месяцев до дней.

Сотрудничество с Microsoft демонстрирует, как современные инструменты ИИ и высокопроизводительных вычислений могут способствовать достижениям в вычислительной химии. На фоне растущей роли вычислительной химии в решении сложных научных проблем партнерство показывает потенциал вычислительных ресурсов в решении таких задач. С продвижением вычислительных инструментов и методов, возможность и стоимость решения задач также меняются. В TEC4 признали потенциал облачных вычислений в расширении доступа к ресурсу для различных приложений, используя ресурсы Microsoft Azure для симуляций динамики молекул, показывая, как можно изучать сложные химические реакции.

Чтобы поддержать эту новую экосистему, команда ищет новых партнеров и создает сообщество вокруг этих усилий. Ковальски отмечает цель создания семейства кодов и расширения базы пользователей, готовых тестировать и развивать среду облачных вычислений. Проводятся также обучающие программы, а новый курс планируется запустить в Университете Техаса в Эль-Пасо в сотрудничестве с Центральным Мичиганским университетом и PNNL, начиная с осени 2024 года.

Дополнительная информация

• Каковы основные преимущества облачных вычислений по сравнению с традиционными высокопроизводительными вычислительными центрами? - Основные преимущества облачных вычислений включают гибкость, масштабируемость и экономическую эффективность, так как они позволяют пользователям быстро увеличивать или уменьшать вычислительные ресурсы и платить только за реально использованные ресурсы.
• Какие виды алгоритмов обычно переносятся в облачную среду в вычислительной химии? - В вычислительной химии часто в облачную среду переносятся алгоритмы для квантовохимических расчетов, молекулярной динамики и анализа больших данных, чтобы воспользоваться мощностями облачной обработки.

Полная версия:: Cloud computing captures chemistry code

Новости 04-01-2025

Одиночество связано с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, инсультов и восприимчивостью к инфекциям

Недавнее исследование, проведенное учеными из Великобритании и Китая, показывает, что взаимодействие с друзьями и семьей может улучшить наше здоровье, укрепляя иммунную систему и снижая риск таких заболеваний, как сердечно-сосудистые, инсульты и диабет 2 типа. Исследование, опубликованное в журнале Nature Human Behaviour, основывалось на анализе образцов крови более чем 42 000 взрослых из Биобанка Великобритании. Это подчеркивает значительную роль социальных отношений в благополучии, несмотря на сложные механизмы, через которые они влияют на здоровье.

Социальная изоляция и одиночество ранее связывались с ухудшением здоровья и ранней смертностью, но биологические механизмы этого процесса оставались неясными. Исследователи подошли к этому вопросу новаторски, изучая циркулирующие в крови белки как потенциальные индикаторы влияния на здоровье. Белки участвуют в важных функциях организма и могут служить целями для разработки методов лечения заболеваний. Ученые из Кембриджского университета и Университета Фудань проанализировали образцы крови взрослых в возрасте от 40 до 69 лет, чтобы исследовать протеом и связать определенные белки с социальной изоляцией и одиночеством.

Исследование обнаружило, что из 175 белков, ассоциированных с социальной изоляцией, и 26 с одиночеством, 85% белков совпадают между этими состояниями. Эти белки часто связаны с воспалением, вирусными инфекциями и иммунным ответом, а также связаны с рисками сердечно-сосудистых заболеваний и диабета 2 типа. Это подчеркивает биологическую реакцию, связанную как с социальной изоляцией, так и с одиночеством. Путем использования генетического рандомизированного метода ученые исследовали, связано ли одиночество напрямую с изменениями уровней белков, выявив пять белков, на которые это влияет.

Профессор Барбара Сахакян подчеркнула важность социальных взаимодействий для поддержания здоровья и выразила обеспокоенность по поводу роста одиночества среди всех возрастных групп. Она акцентировала настоятельную необходимость решения этой проблемы общественного здравоохранения, подчеркнутую ВОЗ. Исследование подчеркивает необходимость инициатив, направленных на развитие социальных связей для предотвращения ухудшения здоровья, связанного с изоляцией и одиночеством.

Дополнительная информация

• Какие конкретные меры рекомендует Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) для снижения уровня одиночества в обществе? - ВОЗ рекомендует меры, такие как расширение доступа к программам, поддерживающим психическое здоровье, и развитие общественных инициатив, которые способствуют социальному включению и поддержке взаимопомощи.
• Как используются генетические рандомизированные методы для изучения влияния одиночества на белки крови? - Эти методы помогают исследователям понять, какие генетические факторы влияют на чувства одиночества и как они связаны с изменениями в белках крови. С их помощью можно отделить влияние генетики от других внешних факторов, чтобы точнее оценить биологические последствия одиночества.

Полная версия:: Loneliness linked to higher risk of heart disease and stroke and susceptibility to infection

Исследование показывает, что физическая активность снижает риск хронических заболеваний

Исследователи Университета Айовы рекомендуют обследовать всех пациентов на уровень их физической активности после нового исследования, подчеркивающего связь между физической активностью и хроническими заболеваниями. В исследовании приняло участие более 7,000 пациентов медицинского центра Университета Айовы.

Ответы пациентов на анкету показали, что те, кто занимался физической активностью минимум 150 минут в неделю, значительно реже сталкивались с 19 хроническими заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания, рак, респираторные заболевания и диабет. Это подчеркивает важность физической активности для здоровья.

На основании этих результатов исследователи предлагают медицинским учреждениям предоставлять информацию о здоровье физически неактивным пациентам, которые наиболее подвержены риску возникновения хронических заболеваний. Однако в текущей системе здравоохранения США отсутствуют легкие способы возмещения расходов врачам, помогающим пациентам стать более физически активными.

Анкетирование, состоящее из двух вопросов, заняло у пациентов меньше 30 секунд и не вмешивалось в процесс их лечения. Это позволило врачам получить важные данные о состоянии здоровья пациентов. Исследование показало, что пациенты, которые заполнили анкету, были моложе и в лучшем состоянии здоровья, чем те, кто анкету не заполнял.

Исследование подчеркивает ценность анкетирования пациентов на предмет уровня их физической активности в медицинских учреждениях. Это связано с тем, что пациенты, которые приходят на ежегодные медосмотры, чаще совершают здоровый выбор, включая физическую активность.

Также было установлено, что медицинские страховые компании почти всегда компенсируют счета за консультации по физической активности, что поощряет проведение анкетирования и консультаций. Это подтверждает необходимость сделать подобные опросы и услуги более доступными.

Дополнительная информация

• Какого рода хронические заболевания чаще всего предотвращаются физической активностью? - Физическая активность помогает предотвращать такие хронические заболевания, как сердечно-сосудистые заболевания, диабет 2 типа и ожирение, за счёт улучшения метаболизма и контроля массы тела.
• Какие методы анкетирования могут быть использованы для оценки физической активности пациентов без значительного вмешательства в процесс лечения? - Методы анкетирования могут включать использование простых опросников, мобильных приложений и носимых устройств, которые позволяют пациентам самостоятельно отслеживать свою физическую активность.
• Почему системы здравоохранения США испытывают трудности с возмещением консультаций по физической активности? - В США трудности с возмещением консультаций по физической активности возникают из-за системы здравоохранения, где акцент традиционно делается на лечении заболеваний, а не на их профилактике.

Полная версия:: Study finds physical activity reduces chronic disease risk

Исследование показывает, что сон предотвращает всплытие нежелательных воспоминаний

Исследование, проведенное Университетом Восточной Англии, установило связь между плохим сном и проблемами психического здоровья из-за дефектов в областях мозга, отвечающих за удерживание нежелательных мыслей. Проблемы со сном играют значительную роль в развитии и поддержании многих психических заболеваний, однако причины этой связи до сих пор неясны. Новое исследование предлагает свежий взгляд на когнитивные и нейронные механизмы, лежащие в основе связи между сном и психическим здоровьем, что может способствовать разработке новых методов лечения и профилактики.

Исследование включало использование функциональной нейровизуализации, которая впервые показала, что дефицит памяти после лишения сна связан с трудностями в активации областей мозга, поддерживающих блокирование извлечения памяти. Восстановление этих областей за ночь связано с фазой быстрого движения глаз (REM) во сне. В эксперименте приняли участие 85 здоровых взрослых, при этом половина из них провела спокойную ночь сна, а остальные не спали всю ночь.

Результаты эксперимента показали, что у людей, хорошо отдохнувших, активность правой дорсолатеральной префронтальной коры была выше, что связано с контролем мыслей и эмоций, по сравнению с теми, кто не спал. Также была отмечена пониженная активность гиппокампа, ответственного за извлечение памяти. Участники, которые больше времени проводили в фазе REM, лучше могли активировать данную область для подавления нежелательных воспоминаний.

Выводы исследования подчеркивают важную роль сна в поддержании контроля над воспоминаниями и текущими мыслями. Эти данные могут стать основой для новых терапевтических стратегий в области психического здоровья, показывая важность сна в борьбе с эмоциональной дисрегуляцией и глобальной психической нагрузкой.

Дополнительная информация

• Что такое функциональная нейровизуализация и как она используется в психологических исследованиях? - Функциональная нейровизуализация включает методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которые позволяют исследователям наблюдать активность мозга в реальном времени. Эти методы используются для изучения того, как определенные психологические процессы связаны с активностью в различных областях мозга.
• Как фаза быстрого движения глаз (REM) влияет на эмоциональное состояние и память? - REM-сон играет важную роль в регулировании эмоций и консолидации памяти. В этой фазе сон способствует обработке переживаний и укреплению эмоциональных воспоминаний.

Полная версия:: Study reveals that sleep prevents unwanted memories from intruding

Новости 03-01-2025

Как мастер обруч овладевает гравитацией? Математики доказывают, что форма имеет значение.

Команда математиков исследовала вопросы о том, как обруч удерживается на теле вопреки силе тяжести и каким образом форма тела влияет на это. Эти вопросы привели к открытиям, которые могут помочь лучше использовать энергию и улучшать позиционеры роботов.

В лаборатории были проведены эксперименты с миниатюрными моделями обручей и разными формами тел. Использовались 3D-печатные модели различных форм (например, цилиндры, конусы, песочные часы), которые были снабжены мотором для имитации движений людей с обручем. На эти тела запускались обручи диаметром примерно 15 сантиметров, и движения записывались на высокоскоростные камеры.

Результаты показали, что основная форма вращения или форма сечения тела (круг против эллипса) не является определяющим фактором для успешного вращения обруча. Однако, удержание обруча на высоте требует особой формы тела с наклонной поверхностью в области «бедер» и округлой формы в области «талии».

Ученые также разработали математические модели, которые объясняют эти процессы и могут быть применены в других областях. Эти открытия, возможно, помогут вдохновить инженерные инновации, такие как сбор энергии и улучшение роботизированных позиционеров и двигателей.

Исследование было поддержано грантом Национального научного фонда США, и его результаты, выполненные под руководством профессора Лейфа Ристрофа и других авторов, открывают новые горизонты в изучении физики развлечений и за её пределами.

Дополнительная информация

• Какие физические законы влияют на движение обруча при его вращении на теле? - На движение обруча влияют инерция, центростремительные и центробежные силы. Инерция стремится поддерживать движение обруча, а центростремительная сила удерживает его в круговом движении вокруг тела.
• Как именно математические модели помогают в улучшении роботизированных позиционеров? - Математические модели позволяют улучшать роботизированные позиционеры, оптимизируя алгоритмы управления и движения. Эти модели помогают предсказать поведение системы и адаптироваться к изменениям внешних условий, обеспечивая более точное и надежное позиционирование.

Полная версия:: How does a hula hoop master gravity? Mathematicians prove that shape matters

Веха в определении электрических единиц

Точное измерение электрического сопротивления играет важную роль в промышленном производстве и электронике, например, при создании высокотехнологических датчиков и микросхем. Профессор Чарльз Гулд из Вюрцбургского университета объясняет, что минимальные отклонения в измерениях могут существенно повлиять на сложные системы. Ученые впервые экспериментально внедрили так называемый квантовый стандарт сопротивления, работающий без внешнего магнитного поля. Квантовые стандарты обеспечивают стабильность на основе принципов квантовой механики.

Квантовый эффект Холла (QHE) и аномальный эффект Холла (QAHE) играют ключевую роль в этом новом стандарте. Обычно, для создания эффекта Холла требуется магнитное поле, однако QAHE позволяет получать такие же качественные результаты в его отсутствие. Это упрощает эксперимент и важно для одновременного измерения стандарта массы – килограмма. Стандарт сопротивления и напряжения легче измерить без магнитного поля, поэтому QAHE особенно подходит для этих условий.

Недавно проведенные измерения QAHE без внешнего магнитного поля достигли точности, необходимой для современных применений в квантовой метрологии. До этого необходимые точности достигались только с использованием магнито-полевых стандартов QHE. Это важный шаг вперед в развитии эффективных квантовых стандартов сопротивления.

Тем не менее, текущее применение этого квантового стандарта ограничено крайне низкими температурами и токами. Чтобы сделать его коммерчески привлекательным для промышленности, эксперимент требует доработки. Команда из Вюрцбурга сотрудничает с институтом PTB в Германии и континентальными исследователями в рамках европейского консорциума QuAHMET.

Исследования финансируются Европейской комиссией, Баварией и Немецким научным фондом. Команда также является частью кластера передового опыта ct.qmat, исследующего топологические квантовые материалы. Совместная работа более 300 ученых из тридцати стран способствует новым открытиям в условиях ультранизких температур, высокого давления и сильных магнитных полей.

Дополнительная информация

• Что такое квантовый эффект Холла и как он используется в измерениях? - Квантовый эффект Холла обнаруживается в двумерных электронных системах при низких температурах и в сильных магнитных полях. Он используется для определения точных эталонов электрического сопротивления.
• Какова роль института PTB в развитии квантовых стандартов? - PTB играет ключевую роль в разработке квантовых стандартов, улучшая методы измерения с использованием квантовых эффектов для достижения высокой точности.

Полная версия:: Milestone in defining electrical units

Ученые обнаружили, что лазерный свет может отбрасывать тень

Исследователи обнаружили, что при определенных условиях лазерный луч может действовать как непрозрачный объект и отбрасывать тень, что изменяет традиционные представления о тенях и открывает новые возможности для технологий, использующих один лазерный луч для контроля другого. Предыдущие представления о том, что свет проходит сквозь свет, не взаимодействуя, были поставлены под вопрос этой находкой.

Для демонстрации этого эффекта ученые использовали кристалл рубина и специфические лазерные длины волн. В результате удалось создать тень из лазерного луча за счет нелинейного оптического процесса. Это происходит когда свет взаимодействует с материалом в зависимости от его интенсивности, что может влиять на другое оптическое поле.

Эта идея возникла из случайной обеденной беседы, в которой обсуждались схемы экспериментов, где лазер изображался в виде цилиндра с тенью, как если бы он был твердым объектом, что привело к вопросу: возможно ли это в лаборатории? Исследователи провели эксперимент, направив мощный зеленый лазер через куб из рубина и подсветив его синим лазером сбоку.

Взаимодействие этих источников света создало тень на экране, которая была видна как темная область, где зеленый лазер блокировал синий свет. Это определенно было тенью, поскольку она была видима невооруженным глазом и повторяла контуры поверхности. Эффект лазерной тени является следствием оптического нелинейного поглощения в рубине, где зеленый лазер увеличивает оптическое поглощение синего, создавая более темную область.

Открытие расширяет наше понимание взаимодействия света и материи и обещает новые применения, такие как оптические переключатели и управление передачей света. В будущем ученые планируют исследовать другие материалы и лазерные длины волн для достижения аналогичных эффектов, опираясь на свою теоретическую модель точного предсказания контрастности тени.

Дополнительная информация

• Что такое нелинейное оптическое поглощение и как оно работает? - Нелинейное оптическое поглощение - это явление, при котором светопоглощающие свойства материала изменяются в зависимости от интенсивности падающего света. Это происходит из-за изменения энергии электронов или других свойств материала под воздействием сильного светового излучения.
• Почему именно рубин используется в таких экспериментах? - Рубин часто используется в нелинейных оптических экспериментах благодаря своей способности усиливать свет. Его кристаллическая структура и добавление хрома делают его эффективным для лазерных применений.
• Какие технологии могут использовать лазерные тени как оптические переключатели? - Лазерные тени применяются в различных технологиях, включая оптическую обработку информации и фотонные компьютеры, где они действуют как переключатели для управления потоком световых сигналов.

Полная версия:: Scientists discover laser light can cast a shadow

Новости 02-01-2025

Исследование выявило, что всплески эстрогена стимулируют злоупотребление алкоголем у женщин

Гормон эстроген был определен как регулятор злоупотребления алкоголем у женщин, особенно влияя на их склонность к "захвату" или употреблению большого количества алкоголя в первые 30 минут его доступности. Это открытие подчеркивается в доклиническом исследовании, проведенном учеными из Weill Cornell Medicine. Их исследование впервые подтверждает, что циркулирующий эстроген способствует различиям в поведении, связанном со злоупотреблением алкоголем, между мужчинами и женщинами.

Опубликованное в журнале Nature Communications 30 декабря, это исследование может проложить путь для инновационных методов лечения расстройств, связанных с употреблением алкоголя. Как выразила д-р Кристен Плейл, старший автор исследования, мы знаем гораздо меньше о том, что подстегивает поведение по употреблению алкоголя у женщин, поскольку большинство исследований проводились с мужчинами. Интересно, что женщины не только склонны к злоупотреблению алкоголем, но также более уязвимы к его негативным последствиям для здоровья по сравнению с мужчинами.

Данные, собранные в период локдауна, связанного с пандемией, показывают, что женщины значительно увеличили свое потребление алкоголя, что ставит их здоровье под серьезную угрозу. По словам д-ра Плейл, этот образец злоупотребления алкоголем усугубляет его вредные эффекты, приводя к усилению проблем со здоровьем. С начала пандемии женщины чаще обращались за медицинской помощью из-за алкоголя по сравнению с мужчинами.

Предыдущее исследование, проведенное д-ра Плейл в 2021 году, обнаружило, что группа нейронов в области мозга, известной как ядро стриа терминалис (BNST), у мышей-женщин оказалась более возбудимой, чем у самцов, что согласуется с их поведением, связанным с алкоголем. Исследователи предположили, что эстроген делает эту нейронную цепь более возбудимой. Данные исследования показали, что более высокие уровни эстрогена в организме вели к увеличенному потреблению алкоголя.

Эксперты обнаружили, что эстроген действует через поверхностные клеточные рецепторы, вызывая быстрые реакции, вместо привычного замедленного пути через ядерные рецепторы. Это открытие предполагает возможность применения ингибиторов эстрогена для лечения расстройства, связанного с алкоголем. Комбинация этого препарата с соединениями, которые регулируют эффекты, производимые нейронами BNST, может предложить новый целевой подход для лечения этого расстройства, как отметила д-р Плейл.

Дополнительная информация

• Как пандемия COVID-19 повлияла на психическое здоровье женщин в целом? - Пандемия COVID-19 увеличила уровень стресса и тревожности у женщин, особенно из-за совмещения работы и заботы о семье.

Полная версия:: Preclinical study finds surges in estrogen promote binge drinking in females

Различия в структуре мозга связаны с ранним употреблением веществ среди подростков

Исследование, проведенное почти с 10,000 подростков и поддержанное Национальными институтами здравоохранения США (NIH), выявило заметные различия в структурах мозга у тех, кто начал употреблять вещества до 15 лет, и тех, кто этого не делал. Эти различия наблюдались еще в детстве, до начала употребления веществ, что может свидетельствовать о предрасположенности к началу их употребления в более позднем возрасте, наряду с генетическими, экологическими и неврологическими факторами. Доктор Нора Волков, директор NIDA, подчеркнула значимость этого открытия для разработки стратегий профилактики и поддержки уязвимых индивидов.

Среди 3,460 подростков, употреблявших вещества до 15 лет, большинство (90,2%) пробовали алкоголь, при этом было высокое совпадение с употреблением никотина и каннабиса: 61,5% начали употреблять никотин, а 52,4% — каннабис. Исследование выявило связь между началом употребления веществ и структурными различиями в различных областях мозга, особенно в коре. Однако исследователи предупредили, что структура мозга не способна самостоятельно предсказать употребление веществ у подростков и не должна использоваться в качестве диагностического инструмента.

Проведенное на основе данных Исследования развития мозга и когнитивных способностей подростков (ABCD Study), это исследование направлено на изучение роли структур мозга в раннем употреблении алкоголя, никотина и каннабиса. В исследовании приняли участие 9,804 детей в возрасте от 9 до 11 лет, результаты МРТ которых послужили базовыми данными с последующими трехлетними наблюдениями для выявления корреляций с ранним употреблением веществ.

Исследование выявило пять глобальных и 39 региональных структурных различий между ранними пользователями веществ и неупотреблявшими, с особым акцентом на толщине коры. Пост-хок анализ подтвердил, что многие отличия сохранялись даже у участников, которые начали употреблять вещества после проведения их первых МРТ. Это может указать на предшествующую предрасположенность, не связанную с воздействием вещества.

Исследователи подчеркнули значимость учета генетических, экологических и поведенческих факторов, отмечая сложность их взаимодействия. Также исследование университет Мичигана выявило, что функциональная взаимосвязь мозга у юных людей может предсказать начало употребления веществ и что экологические факторы, такие как загрязнение, могут влиять на эти траектории. Необходимы дальнейшие исследования для понимания того, как эти структурные отличия могут развиваться с возрастом и долгосрочным воздействием веществ.

Дополнительная информация

• Какие экологические факторы могут влиять на структуру мозга подростков? - Социально-экономический статус, уровень образования, питание и стресс могут напрямую влиять на развитие и структуру мозга подростков.
• Как МРТ может помочь в исследованиях, связанных со структурой мозга и употреблением веществ? - МРТ позволяет безопасно и неинвазивно исследовать строение и активность мозга, что помогает обнаруживать изменения, связанные с употреблением веществ.
• Какие другие исследования сосредотачиваются на разнице в структуре мозга и ее влиянии на поведение подростков? - Исследования в области нейробиологии и психологии часто изучают, как различия в структуре мозга могут отражаться на когнитивных функциях и поведении подростков.

Полная версия:: Brain structure differences are associated with early use of substances among adolescents

Система для автоматического обнаружения новых вариантов будет способствовать улучшенному реагированию на будущие вспышки инфекционных заболеваний.

Исследователи разработали новый метод для выявления инфекционных вариантов вирусов или бактерий, которые начинают распространяться среди людей. Эта система позволяет в реальном времени контролировать патогены и быстро выявлять варианты, способные обходить вакцины. Это открытие потенциально может обеспечить разработку более эффективных вакцин для предотвращения вспышек заболеваний.

Система также быстро обнаруживает новые варианты, устойчивые к антибиотикам, помогая выбрать правильное лечение для ограничения распространения болезней. Она использует данные генетического секвенирования, чтобы понять генетические изменения, лежащие в основе появления новых вариантов. Понимание этих изменений важно для объяснения динамики распространения вариантов среди людей.

Текущие системы слежения за новыми вариантами вирусов и бактерий довольно редки, за исключением программ, сосредоточенных на COVID-19 и гриппе. Новая техника представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с существующими методами, которые зависят от экспертного анализа. Создавая генетические «родословные», эта система автоматически определяет новые варианты, упрощая процесс.

Универсальность подхода позволяет ему использоваться на широком спектре вирусов и бактерий, требуя лишь небольшого количества образцов от инфицированных людей для выявления циркулирующих вариантов. Это делает систему особенно полезной в условиях ограниченных ресурсов, где сбор данных может быть затруднен. Доклад об этом исследовании опубликован в журнале Nature.

Дополнительная информация

• Какие существуют основные методы генетического секвенирования, применяемые для изучения патогенов? - Одними из основных методов являются секвенирование по Сэнгеру и высокопроизводительное секвенирование (напр., Illumina, Nanopore, PacBio). Эти методы позволяют получать точные данные о геномах патогенов.
• Какие вызовы могут возникнуть при внедрении систем для автоматического обнаружения новых вариантов в странах с ограниченными ресурсами? - Возможные вызовы включают ограниченное финансирование, недостаток обученных специалистов, недоступность необходимого оборудования и проблемы с инфраструктурой для сбора и анализа данных.

Полная версия:: System to auto-detect new variants will inform better response to future infectious disease outbreaks

Новости 01-01-2025

Насколько "чистым" должно быть испытательное предприятие для квантовых вычислений?

Недавние исследования подчеркивают важность устранения источников низкоуровневой радиоактивной энергии на предприятиях, работающих с сверхпроводящими кубитами, для улучшения времени когерентности квантовых устройств. В исследованиях, опубликованных в PRX Quantum и Journal of Instrumentation, выявлены проблемные источники ионизирующего излучения и предложены решения. Цель этого исследования - подготовить почву для экспериментального анализа ошибок, вызванных радиацией, в защищенных подземных условиях, что является шагом вперед в прогрессе квантовых вычислений.

Исследования проводились в сотрудничестве с Министерством энергетики США, Лабораторией Линкольна при MIT, Национальным институтом стандартов и технологий и другими академическими партнерами. Работы направлены на продление срока службы кубитов за счет учета таких факторов среды, как блуждающая радиация. Физик Брент ВанДевендер подчеркнул, что благодаря достижениям в проектировании основным вызовом будет решение задачи влияния радиации среды на квантовую когерентность.

Кубиты, являющиеся основными элементами квантовых компьютеров, могут терять свое состояние из-за даже небольших помех от космической радиации и природных изотопов. Исследователи акцентировали внимание на важности систематического и количественного обнаружения источников радиации в окружающей среде. Обнаружено, что источники радиации внутри экспериментальных блоков, таких как криостаты, значительно способствуют этой проблеме.

В исследованиях предложены эффективные меры для защиты чувствительного оборудования от излучения, включая создание защищенного подземного испытательного предприятия для кубитов в PNNL с использованием свинцового криостата, что значительно сократило количество ошибок в устройствах. Простые предосторожности, такие как устранение естественных источников радиации в материалах, могут значительно повысить жизнеспособность квантовых вычислений. Исследователи рекомендуют использовать менее реактивные материалы, такие как латунь, вместо сплавов бериллия и меди, для снижения радиационного риска.

Дополнительная информация

• Как сверхпроводимость помогает в защите кубитов от радиации? - Сверхпроводимость сокращает электрическое сопротивление, что помогает уменьшить воздействие внешних электромагнитных полей, таких как радиация, на квантовые системы.

Полная версия:: How 'clean' does a quantum computing test facility need to be?

Новая теория раскрывает форму одного фотона

Новая теория, разработанная в Бирмингемском университете, впервые определила точную форму единственного фотона, объясняя взаимодействие света и материи на квантовом уровне. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, детализирует, как фотоны испускаются атомами или молекулами и изменяются окружающей средой.

Эта работа производит модель, описывающую взаимодействия между фотоном и эмиттером, а также то, как энергия от этого взаимодействия распространяется в далекое поле. Благодаря этим расчетам удалось создать визуализацию самого фотона, что ранее было недоступно в физике.

Данное открытие открывает новые возможности для исследователей в области квантовой физики и материаловедения. Возможность точно определить, как фотон взаимодействует с материей и другими элементами своей среды, позволяет разрабатывать нанофотонные технологии, которые могут изменить способы безопасной передачи информации, обнаружения патогенов или управления химическими реакциями на молекулярном уровне.

Эти исследования помогают расширить наше понимание обмена энергией между светом и материей, а также лучше понимать, как свет распространяется в своем ближайшем и далеком окружении. Поняв эти процессы, ученые смогут спроектировать будущие технологии, такие как улучшенные сенсоры, улучшенные фотоэлектрические элементы или квантовые вычисления.

Дополнительная информация

• Каковы основные принципы работы нанофотонных технологий? - Нанофотонные технологии используют свет для управления и манипуляции на наномасштабе. Они включают в себя разработку новых материалов и структур, которые могут быть использованы в связи, оптике и вычислительных устройствах для улучшения скорости и эффективности передачи данных.
• Какое значение имеет форма фотона для квантовых вычислений? - Форма фотона может влиять на то, как он используется в качестве кубита (квантового бита). Различные формы позволяют кодировать и передавать информацию, обеспечивая гибкость и эффективность квантовых вычислительных схем.

Полная версия:: New theory reveals the shape of a single photon

Физики разработали новый метод визуализации магнитных наноструктур с высоким разрешением

Исследователи из Университета Мартина Лютера в Галле и Института физики микроструктур Макса Планка разработали новый метод визуализации магнитных наноструктур с высоким разрешением. Данный метод позволяет разглядеть детали в масштабе до 70 нанометров, в то время как обычные оптические микроскопы ограничены разрешением в 500 нанометров. Это важное достижение для создания новых, энергоэффективных технологий хранения данных на основе спинтроники. Исследования были опубликованы в журнале ACS Nano.

Обычные оптические микроскопы ограничены длиной волны света, что не позволяет разглядеть детали меньше 500 нанометров. Новый метод преодолевает это ограничение, используя аномальный эффект Нернста и металлический наконечник на наноуровне. Аномальный эффект Нернста создаёт электрическое напряжение в магнитном металле, перпендикулярное намагничиванию и температурному градиенту. По словам профессора Георга Вольтерсдорфа, лазерный луч концентрируется на наконечнике микроскопа, создавая температурный градиент на поверхности образца, что позволяет добиться более высокой разрешающей способности.

Преимуществом новой методики является ее возможность работы с хиральными антиферромагнитными материалами. Данный подход значительно улучшает пространственное разрешение и позволяет изучать спинтронические компоненты с высокой точностью. Это особенно важно для будущих разработок в области электроники. Использование этой методики также подкреплено результатами на хиральных антиферромагнитах, что открывает новые перспективы для проекта «Центр для Хиральной Электроники».

Работа была поддержана Германским исследовательским фондом в рамках совместного исследовательского центра TRR 227, Проект-1D 328545488. Исследователи из Университета Свободный университет Берлина, Университета Регенсбурга и Института физики микроструктур Макса Планка работали совместно с целью разработать фундаментальные концепции для электроники будущего.

Дополнительная информация

• Что такое аномальный эффект Нернста и как он используется в новом методе визуализации? - Аномальный эффект Нернста возникает, когда в определённых материалах при воздействии магнитного поля и градиента температуры возникает поперечное электрическое напряжение. Это явление используется в новых методах визуализации, чтобы картировать магнитные структуры или свойства материалов, особенно в изучении физических явлений на наноуровне.
• Какие преимущества хиральные антиферромагнитные материалы предоставляют в спинтронике? - Хиральные антиферромагнитные материалы в спинтронике предоставляют возможность передачи спиновой информации с меньшими потерями энергии. Такие материалы обладают уникальными магнитными структурами, которые позволяют создавать более эффективные и быстрые устройства для обработки и передачи данных.

Полная версия:: Physicists develop new method to visualize magnetic nanostructures with high resolution

Новости 31-12-2024

Квантово-инспирированный дизайн увеличивает эффективность преобразования тепла в электричество

Исследователи из Университета Райса разработали инновационный тепловой излучатель, улучшающий термофотовольтаические (TPV) системы, которые преобразуют тепло в электричество через свет. Это достижение, основанное на подходе, вдохновленном квантовой физикой, ставит своей целью продвинуть хранение электроэнергии в тепловой форме, предлагая экономически эффективную альтернативу аккумуляторам, что поддержит рост возобновляемой энергии и переход к мировым нулевым выбросам.

Более эффективные TPV системы также предоставляют потенциал для утилизации отходящего тепла от промышленных процессов, способствуя более устойчивой работе. В настоящее время значительная часть тепла в промышленности становится отходами, что ежегодно обходится экономике США более 200 миллиардов долларов. Улучшение технологий TPV могло бы значительно снизить эти экономические потери, делая промышленные процессы более энергоэффективными.

TPV системы состоят из двух основных компонентов: фотовольтаических ячеек, преобразующих свет в электричество, и тепловых излучателей, которые преобразуют тепло в свет. Традиционно больше внимания уделялось оптимизации PV ячеек. По словам исследователя Наика, используя общепринятые дизайнерские подходы, возможности проектирования тепловых излучателей ограничены, что ведет к устройствам с низкой производительностью в практических применениях.

Недавняя публикация в журнале npj Nanophotonics сообщает о новом тепловом излучателе с эффективностью более 60 %, готовом к практическому использованию. Этот излучатель состоит из листа вольфрама, тонкого разделительного слоя и сетей кремниевых наноцилиндров. При нагреве эти компоненты управляют тепловым излучением через обмен фотонами, контролируя яркость и ширину полосы света, достигающего PV ячейки.

Эта избирательная эмиссионная техника использует понимание квантовой физики для повышения эффективности энергопреобразования, достигая более высоких показателей, чем раньше. Для улучшения текущей 60 % эффективности необходимо разрабатывать или открывать новые материалы с передовыми свойствами. Исследование открывает перспективы для применения как в промышленных секторах, так и в космических миссиях. Исследование поддерживалось Национальным научным фондом и Исследовательским офисом армии США.

Дополнительная информация

• Какие другие квантовые явления используются в технологиях преобразования энергии? - Квантовые точки и туннелирование электронами используются в качестве механизмов повышения эффективности фотогальванических элементов и ячеек.
• Каковы наиболее распространенные промышленные источники отходящего тепла? - Наиболее распространенные источники включают металлообрабатывающие заводы, химические производства, стекольные и цементные заводы.
• Какие новые материалы могут быть использованы для повышения эффективности TPV систем сверх 60%? - Новые материалы, такие как мета-материалы и наноструктуры с высокой плотностью энергетических состояний, могут значительно повысить эффективность TPV систем.

Полная версия:: Quantum-inspired design boosts efficiency of heat-to-electricity conversion

Наномасштабные транзисторы могут обеспечить более эффективную электронику

Силиконовые транзисторы сыграли ключевую роль в развитии большинства электронных устройств, таких как смартфоны и автомобили, но они столкнулись с физическим ограничением, известным как "тирания Больцмана". Это ограничение влияет на энергопотребление, особенно в таких современныx областях как искусственный интеллект, требующих высокой вычислительной скорости. Исследователи из MIT разработали новый тип трехмерных транзисторов, использующих ультратонкие полупроводниковые материалы для более эффективного функционирования при низких напряжениях.

Новые транзисторы состоят из вертикальных нанопроводов шириной всего в несколько нанометров и способны работать на уровнях, сопоставимых с современными силиконовыми транзисторами, но при гораздо более низких напряжениях. Они используют квантовые механические свойства, что позволяет им эффективно работать в компактных масштабах, обеспечивая более высокую плотность расположения на чипе и, соответственно, более быстрые и энергосберегающие устройства. Это достижение дает возможность превзойти существующие ограничения, хотя коммерциализация пока остается вызовом.

Традиционно в транзисторах напряжение заставляет электроны двигаться через барьер, переключая устройство из состояния "выключено" в "включено", облегчая вычислительные процессы. В новых транзисторах использованы материалы, такие как галлий-антикомнид и индий-арсенид, с применением квантового туннелирования, что позволяет электронам проникать сквозь барьеры, а не преодолевать их, обеспечивая легкие переключения.

Команда MIT смогла точно отрегулировать 3D-геометрию с помощью вертикальных нанопроводов с диаметром примерно 6 нанометров, создавая самые маленькие известные на сегодняшний день трехмерные транзисторы. Это позволило добиться резких углов переключения и высокого тока благодаря квантовой ограниченности, что улучшает туннелирование. Хотя работа с такими тонкими барьерами является сложной, она позволяет достичь высоких токов при меньших размерах и преодолеть ограничения силиконовых транзисторов.

После изготовления транзисторы прошли испытания, которые показали их превосходство над стандартными силиконовыми транзисторами, демонстрируя более резкие углы переключения. С поддержкой исследований Intel Corporation, команда MIT планирует улучшить однородность устройств на одном чипе и исследовать вертикальные финные структуры вместе с нанопроводами для повышения консистентности производительности.

Дополнительная информация

• Что такое "тирания Больцмана" и как она влияет на традиционные транзисторы? - "Тирания Больцмана" касается пределов, которые термодинамика накладывает на эффективность транзисторов, особенно в плане потребления мощности. Это связано с тем, что традиционные кремниевые транзисторы становятся менее эффективными при уменьшении размеров, так как повышается утечка тепла.
• Как квантовые механические свойства улучшают работу транзисторов в наномасштабах? - Квантовые механические свойства, такие как туннелирование и модификация энергетических зон, позволяют улучшать эффективность и скорость транзисторов, уменьшая энергопотребление и увеличивая плотность интеграции.
• Как работают галлий-антикомнид и индий-арсенид в новых транзисторах? - Галлий-антикомнид и индий-арсенид используются в новом поколении транзисторов из-за их высокой подвижности электронов, что позволяет создавать более быстрые и эффективные устройства по сравнению с традиционным кремнием.

Полная версия:: Nanoscale transistors could enable more efficient electronics

Разработка простой, революционной техники печати периодических нано/микроструктур

Группа исследователей из NIMS и Университета Коннектикута разработала технику печати, способную формировать периодические нано/микроструктуры на поверхности полидиметилсилоксановой (PDMS) пластины и легко переносить их на поверхность стеклянного субстрата. Эта техника позволяет создавать материалы с полезными функциями, такими как водоотталкивающие свойства и генерация структурных цветов, без использования дорогостоящего оборудования и сложных процессов.

Традиционные методы создания этих структур требуют больших затрат времени и дорогостоящего оборудования, а также не подходят для больших поверхностей. В то время как существующие технологии печати потенциально могут решить эту проблему, необходимы подходящие чернила, и их заполнение ещё требует доработки. Нужна была простая техника для создания нано/микроструктур.

Исследователи недавно разработали простую технику, которая позволяет наносить периодические нано/микроструктуры на поверхность стекла с помощью PDMS пластины. Пластина содержит жидкий PDMS, функционирующий как чернила. Она формирует периодическую структуру на своей поверхности, которая затем переносится на стекло. Помимо морщинистой структуры, можно печатать и другие типы периодических нано/микроструктур. В жидкий PDMS можно добавлять различные вещества, что обеспечивает желаемые свойства.

С помощью этой новой техники команда надеется создавать нано/микроструктуры для решения социальных задач, таких как антизапотевание и создание структурных цветов, что полезно для разработки инновационных газовых сенсоров. Также технику можно применять для создания сверхгидрофобных и суперолеофобных поверхностей, которые пригодятся в сборе атмосферной воды. Теперь команда планирует оптимизировать условия экспериментов для множества применений.

Дополнительная информация

• Что такое полидиметилсилоксан (PDMS) и где он еще применяется? - Полидиметилсилоксан (PDMS) - это вид силикона, обладающий высокой гибкостью и устойчивостью к воздействию окружающей среды. Он используется в медицинских имплантах, косметике, контактных линзах и многих других промышленных приложениях.
• Как работают структурные цвета и где они применяются в природе и технологиях? - Структурные цвета возникают благодаря интерференции света на сложных микроструктурах, без использования пигментов. В природе они встречаются у бабочек и павлинов, а в технологиях - в дисплеях и защитных покрытиях.

Полная версия:: Development of a simple, revolutionary printing technique for periodic nano/microstructures

Новости 30-12-2024

Новый лазерный метод достигает атомарной точности на поверхностях алмазов

Представьте себе, что можно рассмотреть объект под микроскопом и изменить расположение атомов на его поверхности с атомарной точностью. Благодаря передовому исследованию, опубликованному в Applied Surface Science, этот фантастический сценарий стал реальностью.

Учёные разработали метод, который использует глубокий ультрафиолетовый (УФ) лазер для обработки алмазных поверхностей с высокой точностью. Этот процесс позволяет удалять лишь 1 процент атомного слоя, что обеспечивает беспрецедентный контроль над структурой и свойствами алмаза. Реакция вызывается двумя фотонами, которые удаляют углеродные атомы из верхнего атомного слоя.

Результаты исследования показывают, что после воздействия лазера электропроводность поверхности алмаза увеличивается до семи раз. Это открытие, подтвержденное лабораторией MIT Lincoln, является важным шагом к использованию алмазов в качестве полупроводников. Уникальные свойства алмазов делают их идеальными для высокочастотных устройств.

Помимо электроники, это открытие может значительно повлиять на развитие квантовых технологий. Атомарная обработка алмазных поверхностей может стать важным инструментом как для исследователей, так и для промышленности, поскольку она способствует стабилизации квантовых состояний, необходимых для квантовых компьютеров. Учёные планируют оптимизировать этот метод для полного раскрытия потенциала алмазов в электронике и квантовых технологиях.

Дополнительная информация

• Что такое глубокий ультрафиолетовый лазер и как он отличается от других типов лазеров? - Глубокий ультрафиолетовый лазер излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, длина волны которого меньше, чем у видимого света. Это делает его особенно полезным в фотолитографии, процессе производства микросхем, поскольку он позволяет создавать более мелкие и точные детали. В отличие от лазеров в видимом и инфракрасном диапазонах, глубокий ультрафиолет позволяет работать с более высокой разрешающей способностью.

• Каковы особенности и преимущества использования алмазов в качестве полупроводников по сравнению с традиционными материалами? - Алмазы обладают очень высокой теплопроводностью, что позволяет более эффективно отводить тепло от устройств. Они также имеют высокую диэлектрическую прочность, что делает их способными выдерживать более высокие напряжения. Это позволяет создавать более компактные и мощные электронные устройства по сравнению с тем, что возможно с традиционными материалами, такими как кремний. Алмазы устойчивы к радиации, что делает их полезными для применения в экстремальных условиях, таких как космос.

Полная версия:: New laser technique achieves atomic-scale precision on diamond surfaces

Электрический контроль при комнатной температуре может ускорить развитие будущих технологий

Исследователи из Университета штата Пенсильвания и Массачусетского технологического института обнаружили новые аспекты эффекта Холла, старого физического явления, которые могут иметь значение для квантовых материалов и технологий. Их находки были опубликованы в журнале Nature Materials. Новый нерекурсивный эффект Холла, открытый Чжицян Мао из Университета штата Пенсильвания и Ляном Фу из MIT, не требует магнитного поля и работает с текстурированными наночастицами платины на кремнии.

Этот эффект Холла отличается тем, что напряжение Холла пропорционально квадрату тока. Этот вид эффекта Холла возникает вследствие взаимодействий проводящих электронов и текстурированных наночастиц платины. Нерекурсивный эффект Холла можно использовать для смешивания частот широкополосного диапазона и беспроводного обнаружения микроволн. Это подчеркивает потенциал устройств эффекта Холла в технологиях терагерцовой связи, визуализации и сбора энергии.

Открытие бросает вызов закону Ома, который связывает ток с приложенным напряжением, показывая напряжение Холла при нулевом магнитном поле. При обычных условиях напряжение Холла должно равняться нулю без магнитного поля. Мао объясняет, что это напряжение Холла нерекурсивное и масштабируется квадратично с током, что подвергает сомнению укоренившиеся принципы.

Особенностью этого открытия является то, что его достигли при комнатной температуре, в отличие от типичных исследований, требующих температур ниже 280 градусов по Фаренгейту. Структурированные наночастицы платины играют ключевую роль в генерации эффекта в более практичных условиях. Это открывает возможности для таких приложений, как квантовая ректификация и фотодетекция. Исследование демонстрирует усилия, вложенные в расширение понимания квантовых явлений и прикладных технологий.

Дополнительная информация

• Как нерекурсивный эффект Холла может изменить существующие технологии? - Это может привести к развитию новых электронных устройств, более устойчивых к интерференции и электромагнитным воздействиям, благодаря своей способности направлять ток не полагаясь на стандартные принципы симметрии и рекурсивности.
• Почему наночастицы платины важны для исследования в области квантовых материалов? - Наночастицы платины обладают уникальными свойствами, такими как улучшенное катализаторное действие, что делает их полезными для изучения новых материалов, где взаимодействие на уровне отдельных атомов важно для выявления квантовых эффектов.

Полная версия:: Room temperature electrical control could heat up future technology development

Прорыв в исследовании квантовых технологий: синтетические измерения для обработки информации

Исследователи Института национальной научной исследования (INRS) совместно с коллегами из Германии, Италии и Японии сделали важное открытие, создав синтетическую фотонную решетку. Это изобретение позволяет генерировать и управлять квантовыми состояниями света и открывает новые перспективы в таких областях, как квантовые вычисления и безопасные протоколы коммуникаций.

Главная особенность этого исследования – использование концепции квантовых прогулок и синтетических фотонных сетей. Это позволяет исследовать различные квантовые явления, включая симметрию по времени и суперфлюидность света. Однако до сих пор синтетическая фотонная решетка для работы с квантовыми состояниями не была создана, что стало новым достижением для исследовательской группы под руководством профессора Роберто Морандотти.

Команда профессора Морандотти открыла синтетическую фотонную решетку, способную генерировать и манипулировать квантовыми состояниями света с использованием простых волоконных систем. Их техника позволяет лучше контролировать эволюцию квантовых прогулок и манипулировать классическим светом и запутанными фотонами одновременно.

Это инновационное открытие обещает множество приложений, включая квантовые вычисления и метрологоию, а также безопасные квантовые коммуникации, работающие на базе существующей телекоммуникационной инфраструктуры. Система, основанная на волоконно-оптических устройствах, полностью совместима с текущими и будущими инфраструктурами.

Таким образом, работа команды INRS показывает, что можно реализовать высокоэффективные квантовые системы с использованием доступных технологий и инфраструктуры. Это открытие открывает новые возможности для передачи персональных данных через квантовые сети с высоким уровнем безопасности.

Дополнительная информация

• Какие преимущества предоставляет использование синтетической фотонной решетки в области квантовых вычислений по сравнению с традиционными методами? - Синтетические фотонные решетки позволяют более эффективно моделировать сложные квантовые системы благодаря улучшенному контролю над квантовыми состояниями и их манипуляцией.

• Что такое квантовые прогулки, и как они применяются в изучении квантовых явлений? - Квантовые прогулки — это процесс, аналогичный классическим случайным блужданиям, но с квантовыми суперпозициями, используемый для моделирования квантовых систем и разработки алгоритмов.

• Какие примеры безопасных квантовых коммуникаций уже существуют и как они работают на базе существующей телекоммуникационной инфраструктуры? - Примеры включают квантовую криптографию, такую как протокол BB84, который используется для безопасной передачи ключей с использованием оптоволоконных сетей.

Полная версия:: Quantum research breakthrough uses synthetic dimensions to efficiently process quantum information

Новости 29-12-2024

Эксперимент по физике доказывает наличие узоров в хаосе в особой квантовой сфере

Международная команда исследователей продемонстрировала, что в квантовой сфере электроны могут двигаться по предсказуемым путям, а не создавать хаотические траектории. Это открытие подтверждает теорию, предложенную 40 лет назад, о том, что электроны в ограниченных квантовых пространствах следуют предсказуемым маршрутам. Исследование проведено под руководством физика из Университета Калифорнии в Санта-Крузе Джайро Веласко младшего и опубликовано в журнале Nature 27 ноября.

Команда Веласко использовала передовые методы визуализации и точного контроля электронов в графене для наблюдения этих процессов. Уникальные двумерные свойства графена делают его идеальным кандидатом для изучения квантовых эффектов. Сканирующий туннельный микроскоп использовали для создания ловушки для электронов, что позволило тщательно следить за их движением в графене без вмешательства.

Значение предсказуемого движения электронов заключается в сохранении их свойств на больших расстояниях, что может изменить эффективность электронных устройств. Веласко отметил, что такой эффективный перенос электронных характеристик может привести к снижению энергопотребления в транзисторах, что, в свою очередь, укрепит работу повседневной электроники. Возможность надежной передачи информации через устройство откроет новые перспективы для создания энергосберегающих устройств.

В мире физики эти уникальные орбиты электронов называют "квантовыми шрамами", что впервые было теоретизировано физиком из Гарвардского университета Эриком Хеллером в 1984 году. Теперь, когда эмпирические данные подтверждают теорию Хеллера, исследователи могут изучать возможные применения в наноэлектронике. Такие устройства, как компьютеры и смартфоны, которые зависят от плотных матриц транзисторов, могут выиграть от технологии, основанной на квантовых шрамах. Веласко рассматривает будущие исследования, нацеленные на манипуляцию состояниями квантовых шрамов для создания инновационных методов квантового управления.

Дополнительная информация

• Каковы основные свойства графена, которые делают его идеальным для изучения квантовых эффектов? - Графен обладает высокой электрической проводимостью, прочностью и гибкостью, что снижает рассеяние при движении электронов и позволяет наблюдать квантовые эффекты с высокой точностью.
• Какие возможные применения квантовых шрамов в наноэлектронике предвидят ученые? - Квантовые шрамы могут использоваться для повышения точности и стабильности квантовых вычислений, что предоставляет возможности для усовершенствования квантовых устройств.

Полная версия:: Physics experiment proves patterns in chaos in peculiar quantum realm

Прорыв в области магнетизма может изменить квантовые вычисления и сверхпроводники

Команда под руководством Чжэна Жэна и Мин И из Университета Райса совершила значительное открытие в магнитных и электронных свойствах тонких пленок олова-железа (FeSn). Эти исследования проливают свет на магниты кагоме, известные своей уникальной кристаллической решеткой, которая вызывает необычное магнитное и электронное поведение через квантовую интерференцию. Это открытие может иметь важные последствия для технологий, таких как квантовые вычисления и высокотемпературные сверхпроводники, предоставляя новое понимание магнетизма.

В работе, опубликованной в Nature Communications 30 октября, исследователи обнаружили, что магнитные свойства FeSn обусловлены локализованными электронами, опровергая прежнее убеждение, что ответственные были подвижные электроны. Это сменяет существующую парадигму магнетизма в кагоме-металлах и может направить создание материалов с определенными свойствами для передовых применений. Исследование ожидается, что вдохновит дальнейшие исследования квантовых материалов, потенциально приводящих к технологическим прорывам.

Мин И, ассоциированный профессор, отметила: "Эта работа, вероятно, стимулирует дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования возникающих свойств квантовых материалов". Исследователи достигли своих результатов, используя метод, объединяющий молекулярно-лучевую эпитаксию и угол-резольвальную фотоэмиссионную спектроскопию, позволяя подробный анализ электронной структуры FeSn. Их работа показала, что локализованные электроны индуцируют магнетизм материала даже при более высоких температурах, усложняя существующие модели поведения электронов в магнитах кагоме.

Кроме того, исследование показало, что некоторые электронные орбитали в FeSn взаимодействуют сильнее, чем другие — явление, известное как избирательная перестройка полос. Это наблюдалось ранее в железосодержащих сверхпроводниках и теперь предоставляет новый угол на взаимодействия электронов в магнитах кагоме. Чжэн подчеркнул: "Наше исследование подчеркивает сложное взаимодействие между магнетизмом и корреляциями электронов в магнитах кагоме".

Расширенные последствия этого исследования выходят за рамки понимания FeSn и могут повлиять на материалы с аналогичными характеристиками. Понимание плоских зон и корреляций электронов может затронуть прогресс таких технологий, как высокотемпературные сверхпроводники и топологические квантовые вычисления. Взаимодействие магнетизма и топологических плоских зон в этих материалах может открыть новые типы квантовых состояний, полезные для квантовых логических схем.

Дополнительная информация

• Что такое магниты кагоме и почему их кристаллическая структура важна для изучения квантовых материалов? - Магниты кагоме имеют кристаллическую структуру, напоминающую узор из пересекающихся треугольников, что позволяет изучать свойства такими феноменами, как фрустрация магнитных моментов и топологические эффекты, важные для квантовых материалов.
• Как метод молекулярно-лучевой эпитаксии используется для изучения свойств материалов? - Метод молекулярно-лучевой эпитаксии используется для построения кристаллов с атомной точностью, что позволяет изучать физические свойства материалов в тонких пленках, таких как полупроводники.
• Что такое избирательная перестройка полос и какие её последствия для квантовых материалов? - Избирательная перестройка полос относится к изменению электронной структуры материала под действием внешних воздействий, таких как электрическая или магнитная регулировка, что может изменять проводящие свойства материалов и применяется в разработке новых квантовых устройств.

Полная версия:: Breakthrough in magnetism could transform quantum computing and superconductors

Вирус, который угрожал человечеству, открывает будущее.

Профессор Са́нмин Ли из Департамента химической инженерии в университете ПОСТЭК совместно с лауреатом Нобелевской премии по химии 2024 года, профессором Дэвидом Бейкером из Вашингтонского университета, разработал инновационную терапевтическую платформу, используя искусственный интеллект для имитации сложных структур вирусов. Это новаторское исследование было опубликовано 18 декабря в журнале Nature.

Вирусы имеют уникальную структуру: их генетический материал заключен в сферические белковые оболочки, что позволяет им реплицироваться и проникать в клетки-хозяева, часто вызывая заболевания. Исследователи вдохновлены этими сложными структурами и создают искусственные белки, моделируемые по образу вирусов. Эти "наноклетки" имитируют поведение вирусов, эффективно доставляя терапевтические гены в целевые клетки. Однако существующие наноклетки имеют ограничения, такие как малый размер и простая конструкция, которые не соответствуют многозадачности природных вирусов.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа использовала возможности искусственного интеллекта для создания дизайна. В то время как большинство вирусов имеют симметричные структуры, они также содержат тонкие асимметрии. Используя ИИ, команда воссоздала эти нюансы и впервые разработала наноклетки в тетраэдрической, октаэдрической и икосаэдрической формах.

Сформированные наноструктуры состоят из четырех типов искусственных белков, создавая замысловатые архитектуры с шестью различными интерфейсами белок-белок. Среди них икосаэдрическая структура, диаметром до 75 нанометров, выделяется своей способностью вместить в три раза больше генетического материала по сравнению с традиционными векторами генной доставки, такими как адено-ассоциированные вирусы (AAV), что является значительным достижением в генотерапии.

Дополнительная информация

• Что такое адено-ассоциированные вирусы (AAV), и как они используются в генной терапии? - Адено-ассоциированные вирусы (AAV) — это небольшие вирусы, которые используются в генной терапии для доставки генов в клетки. Они считаются относительно безопасными для применения у людей, так как не вызывают заболевания и могут быть модифицированы для нацеливания на конкретные клетки или ткани.
• Как искусственный интеллект помогает в создании сложных наноструктур? - Искусственный интеллект используется для моделирования и оптимизации дизайна наноструктур, что позволяет предсказывать их физические и химические свойства с высокой точностью и уменьшает необходимость в дорогостоящих и длительных экспериментах.

Полная версия:: Virus that threatened humanity opens the future

Новости 28-12-2024

Высококачественные нанодиаоманты для биовизуализации и квантовых сенсорных приложений

Квантовая сенсорика, развивающаяся область науки, использует уникальные квантовые состояния частиц, такие как суперпозиция и запутанность, для фиксирования изменений в физических, химических или биологических системах. Нанодиаоманты (НД) с включением азотно-вакансионных (NV) центров стали многообещающими квантовыми нанодатчиками. NV-центры формируются заменой атома углерода на азот рядом с вакансионным местом в алмазной решетке. Под воздействием света эти центры испускают фотоны, чувствительные к внешним воздействиям, таким как магнитные поля и температура.

Метод оптически детектированной магнитной резонанса (ODMR) позволяет фиксировать изменения в этих спиновых состояниях, наблюдая изменения флуоресценции под воздействием микроволнового излучения. Однако биовизуализация с использованием НД сталкивается с проблемой низкого качества спинов по сравнению с массивными алмазами, что снижает чувствительность измерений.

Недавно ученые из университета Окаямы в Японии добились успеха в создании нанодатчиков, яркость которых делает их подходящими для биовизуализации и спиновые свойства которых схожи с массивными алмазами. Это значительное исследование было руководимо профессором Масадзуми Фудзивара и опубликовано 16 декабря 2024 года. Они смогли получить высококачественные НД с минимальными примесями, что стало долгожданным прорывом в области квантовой сенсорики.

Исследователи сосредоточились на выращивании кристаллов алмазов с 99.99% 12C атомов углерода и контролируемым добавлением азота для формирования NV-центров. Полученные НД имели среднюю величину 277 нанометров и показывали высокую флуоресценцию, что подошло для биовизуализации. Это позволяет работать с меньшей мощностью микроволнового излучения, что снижает потенциальную клеточную токсичность.

Эта работа предполагает многочисленные приложения таких нанодатчиков, начиная от ранней диагностики заболеваний и заканчивая мониторингом состояния батарей. Как отметил профессор Фудзивара, такие инновации могут революционизировать как медицину, так и технология, улучшая качество жизни и предоставляя устойчивые решения для будущих вызовов. Такие достижения квантовой сенсорики могут привести к новому этапу технологического развития.

Дополнительная информация

• Какую роль играют включения углерода 12C в улучшении качества спинов нанодиааманта? - Включения углерода 12C в нанодиаамантах уменьшают ядерное окружение, что позволяет улучшить когерентность электронных спинов NV-центров, делая их более стабильными для квантовых приложений.
• Какие существуют альтернативные материалы для квантовых нанодатчиков, помимо нанодиаамантов? - Альтернативными материалами для квантовых нанодатчиков являются квантовые точки, редкоземельные ионы в керамических матрицах, а также двумерные материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов.
• Как NV-центры в нанодиаамантах детектируют изменения в магнитных полях? - NV-центры детектируют изменения в магнитных полях с помощью электронного спина, который чувствителен к магнитным полям. Изменения в магнитном поле влияют на состояние спина, что можно детектировать с помощью оптических методов.

Полная версия:: High-quality nanodiamonds for bioimaging and quantum sensing applications

Обнаружение новых направленных на рост доменов укладки графена может предвещать новую эру для квантовых приложений.

Графен, представляющий собой однослой организацию атомов углерода в двумерной решетке, отличается исключительными свойствами: невероятная прочность (примерно в 200 раз прочнее стали), легкость, гибкость и отличная электропроводность. Эти свойства сделали графен всё более важным в различных областях, включая электронику, хранение энергии, медицинские технологии и, в последнюю очередь, квантовые вычисления.

Квантовые свойства графена, такие как сверхпроводимость и другие уникальные квантовые поведения, проявляются при наслоении и закручивании слоёв графена с высокой точностью для создания АВС доменов укладки. Исторически, для достижения таких доменов было необходимо вручную скручивать и выравнивать слои графена, что представляло сложный процесс, трудноподдающийся масштабированию для промышленных применений.

Сейчас исследователи из Тандонской школы инженерии Нью-Йоркского университета под руководством Элизы Риедо обнаружили новый феномен в исследованиях графена, наблюдая самопроизвольную организацию ABA и ABC доменов укладки в трёхслойных системах эпитаксиального графена, выращенного на карбиде кремния. Это открытие устраняет необходимость в сложных и немасштабируемых техниках, традиционно применяемых для закручивания графена. Используя передовой метод атомной силовой микроскопии, команда обнаружила, что такие домены формируются сами по себе, что представляет собой значительный шаг вперёд в создании доменов графена.

Эти самособирающиеся ABA/ABC домены могут привести к преобразующим применением в квантовых устройствах. Полосовидные конфигурации доменов, к примеру, могут облегчить проявление неконвенциональных квантовых эффектов Холла, сверхпроводимости и плотностных волновых возбуждений заряда, прокладывая путь к масштабируемым электронным устройствам, использующим квантовые свойства графена. Финансирование этого исследования осуществлялось Управлением научных исследований армии США при участии исследователей из Карлова университета в Праге.

Дополнительная информация

• Какие технологии используются для изучения квантовых свойств материалов как графен? - Для изучения квантовых свойств графена используются такие технологии, как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и различные методы спектроскопии на базе синхротронного излучения.
• В чем заключается значимость эффекта Холла в квантовых технологиях? - Эффект Холла, особенно квантовый, используется в квантовых технологиях для устойчивого управления электрическими свойствами материалов, что важно для разработки новых электронных устройств и квантовых компьютеров.

Полная версия:: Discovery of new growth-directed graphene stacking domains may precede new era for quantum applications

Обеспечение светлого будущего для алмазной электроники и датчиков

Исследователи изучают инновационные методы производства искусственных алмазов с уменьшенными выбросами углерода, ориентируясь на приложения в будущих технологиях, таких как компьютеры, оптика и датчики. Исследование лаборатории плазменной физики Принстонского университета и университета Принстона было сосредоточено на выращивании алмазов при более низких температурах. Алмазная кристаллическая структура позволяет материалу выдерживать высокие электрические напряжения и эффективно рассеивать тепло, что делает его популярным в полупроводниковой отрасли.

По словам ведущего исследователя Игоря Кагановича из PPPL, исследование является важным шагом в повышении конкурентоспособности США в микроэлектронике за счет изучения ключевых материалов и методологий. Традиционные методы выращивания алмазов требуют высоких температур, непригодных для интеграции с кремниевыми микрочипами, поэтому работа направлена на поиск более низких температурных альтернатив, не ухудшающих качество. Юрий Барсуков подчеркивает, что достижение низкотемпературного выращивания алмазов значительно поможет производству на основе кремния.

Реакторы Квантовой Алмазной лаборатории используют плазмохимическое осаждение для синтеза алмазов, но прошлые эксперименты с ацетиленом показали, что он способствует не только росту алмаза, но и образованию сажи, что ухудшает работу устройств, как сенсоры и оптика. Исследование выявило критическую температуру, при которой ацетилен начинает способствовать образованию сажи вместо роста алмаза. Важную роль в преобразовании химических веществ в процессе роста алмаза играет атомарный водород.

Совершенствование синтеза алмаза лишь часть работы; другие приложения требуют изменения атомной структуры алмаза с помощью создания азотных вакансий для квантовых приложений. Связанное исследование изучило стратегии защиты поверхностей квантовых алмазов для поддержания азотных вакансий. Исследование, проведенное PPPL, Принстоном и университетом RMIT, оценивало методы сохранения уникальных свойств в технологических приложениях.

Нанесение водородного слоя на поверхности алмазов важно для микроэлектроники и квантовых сенсоров, но представляет сложности из-за инертной природы алмаза. Выдвинута исследовательская необходимость в надежных методах создания однородного водородного слоя, чтобы оптимизировать алмазы для квантовых функций. Исследование показало, что методы холодной плазмы и отжига не вредили люминесценции азотных вакансий, обеспечивая баланс между качеством поверхности и свойствами вакансий, что важно для био-молекулярных сенсоров.

Дополнительная информация

• Почему атомарный водород играет важную роль в процессе роста алмаза? - Атомарный водород помогает удалять поверхностные графитовые слои, позволяя чистому развитию алмазной структуры во время химического осаждения из газовой фазы (CVD).
• Какие преимущества предоставляет использование азотных вакансий в алмазах для квантовых приложений? - Азотные вакансии в алмазах могут действовать как квантовые биты (кубиты) и обладают долгим временем когерентности, что делает их полезными для квантовых вычислений и сенсоров.

Полная версия:: Ensuring a bright future for diamond electronics and sensors

Новости 27-12-2024

Как напечатать автомобиль: Высокопроизводительные многоматериальные технологии 3D-печати

Исследователи из Института исследований материалов и Центра создания новой индустрии Университета Тохоку добились прорыва в многоматериальной технологии 3D-печати, продемонстрировав процесс создания легкого, но прочного автомобильного компонента.

Этот процесс включает в себя создание объектов методом послойного нанесения металлов с использованием тепла для их связывания. Точная 3D-печать позволяет производить уникальные и настраиваемые формы, которые часто создают меньше отходов по сравнению с традиционными методами производства. Техника позволяет создавать "многоматериальные структуры", которые стратегически сочетают разные материалы для достижения оптимальной производительности. Например, стальные автомобильные детали могут значительно облегчиться при комбинировании с алюминием. Такие техники получили широкое внимание среди исследователей.

Тем не менее, технология сталкивается с определенными трудностями. Разработка стально-алюминиевых сплавов, которые были бы не только легкими, но и прочными, стала целью исследования. Команда использовала технологию лазерного плавления порошкового слоя (L-PBF), одну из ключевых в 3D-печати металлов, которая позволяет преодолевать проблемы, связанные с образованием хрупких интерметаллидных соединений путем увеличения скорости сканирования лазера.

Основываясь на своем достижении, они успешно создали первый в мире полномасштабный многоматериальный автомобильный компонент - подвесочную башню с адаптированной геометрией. Исследовательская группа планирует применить результаты для других комбинаций металлов, что позволит расширить области применения.

Дополнительная информация

• Что такое интерметаллические соединения и почему они могут быть проблемой в 3D-печати? - Интерметаллические соединения — это твердые сплавы из двух или более металлов с уникальными свойствами и структурой. В 3D-печати они могут вызывать проблемы из-за своей хрупкости, что может приводить к дефектам в напечатанных изделиях.
• Как технология лазерного плавления порошкового слоя (L-PBF) улучшает процесс 3D-печати металлов? - Технология L-PBF улучшает 3D-печать металлов за счёт высокой точности и контроля процесса плавления, позволяя создавать сложные и прочные детали с хорошими механическими свойствами.

Полная версия:: How to print a car: High-performance multi-material 3D printing techniques

Физик открывает новое поведение в квантовых суперпроводниках, шаг вперед для квантовых вычислений.

Недавнее исследование изучило необычное поведение электрического тока в суперпроводниках, что может способствовать развитию технологий обработки квантовой информации. Это исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, проведено Бабаком Сераджехом из Университета Индианы и его коллегами из Индийского технологического института Канпур. Они сосредоточились на влиянии фермионов Майораны Фло на эффект Джозефсона, что имеет важные последствия для улучшения управления динамикой квантовых систем.

Развитие квантовых вычислений сталкивается с значительными трудностями, особенно в вопросах нестабильности и декогерентности. Декогерентность — это потеря квантового состояния кубитами из-за воздействия окружающей среды, например, изменения температуры или электромагнитных шумов. Квантовые компьютеры требуют очень низких температур для стабильной работы, так как кубиты становятся крайне нестабильными и склонны к ошибкам без достаточного охлаждения.

Одним из возможных решений является открытие высокотемпературных суперпроводников, которые давно искались в области суперпроводимости. Такие материалы могли бы проводить электричество без сопротивления при комнатной температуре, значительно сокращая затраты и сложность охлаждения, связанные с текущими квантовыми технологиями. Это открытие могло бы создать революцию в энергетических передачах, электронике и криптографической безопасности.

Профессор Сераджех и его команда исследуют альтернативный подход, закодировав квантовую информацию нелокально, распространяя ее на более широком пространственном участке, чтобы уменьшить локальный шум и колебания. Этот метод может помочь справиться с вызовами, которые создают декогерентность в квантовых компьютерах. Исследование изучает особые свойства фермионов Майораны Фло для квантовых вычислений.

Фермионы Майораны, теоретизированные Этторе Майораной, являются уникальными частицами, являющимися собственными античастицами, и имеют интригующие свойства, связанные с квантовой информацией. Алексей Китаев предположил, что фермионы Майораны могут существовать как квантовые возбуждения в топологических суперпроводниках, которые обладают стабильными квантовыми состояниями, защищенными топологией материала. Эти состояния делают топологические суперпроводники привлекательным кандидатом для более надежных квантовых вычислений.

Дополнительная информация

• Что такое эффект Джозефсона и как это связано с квантовой механикой? - Эффект Джозефсона связан с явлением, когда сверхпроводящие токи протекают через изолятор благодаря квантовому туннелированию. Основан на принципах квантовой механики и является одним из ключевых принципов работы джозефсоновских переходов в электронных устройствах.
• Как открытие высокотемпературных суперпроводников может повлиять на промышленность и повседневную жизнь? - Высокотемпературные сверхпроводники могут привести к созданию более эффективных энергетических систем, уменьшению потерь в передаче электроэнергии и развитию магнитных левитационных транспортных систем.
• Почему фермионы Майораны считаются перспективными для квантовых вычислений? - Фермионы Майораны могут быть использованы в квантовых вычислениях для создания топологически защищенных кубитов, что способствует более стабильному и более устойчивому хранению информации в квантовых компьютерах.

Полная версия:: In step forward for quantum computing hardware, physicist uncovers novel behavior in quantum-driven superconductors

Преодоление зловещей долины: Прорыв в технологии реалистичных лицевых выражений у андроидов

Исследовательская группа из Осакского университета разработала технологию, позволяющую андроидам динамически выражать свои эмоциональные состояния, такие как "взволнованность" или "сонливость", синтезируя движения лица в виде наложенных затухающих волн.

Ранее использование роботами, такими как андроиды, различных выражений лица для длительных периодов времени базировалось на "методе лоскутного шитья", который предусматривал подготовку нескольких заранее разработанных сценариев действий. Этот метод создавал трудности, включая необходимость подготовки сложных сцен, минимизацию заметных неестественных движений и тонкую настройку выражений.

В новом исследовании была разработана технология динамического синтеза лицевых выражений, использующая "волновые движения", которые представляют несколько жестов лица, таких как "дыхание" и "моргание". Эти волны распространяются по соответствующим участкам лица и накладываются, создавая сложные движения в реальном времени, без необходимости подготовки комплексных данных.

Данная технология обещает обогатить эмоциональную коммуникацию между людьми и роботами. Она позволяет обмениваться информацией в более естественной и человечной манере, что может значительно повысить ценность коммуникационных роботов в будущем.

Дополнительная информация

• Каково происхождение термина "зловещая долина" и как он связан с взаимодействием между человеком и роботом? - Термин "зловещая долина" был введён японским робототехником Масахиро Мори в 1970 году. Он описывает феномен, при котором человекоподобные роботы вызывают чувство дискомфорта или отвращения у людей. Это происходит, когда роботы выглядят и ведут себя почти, но не совсем как настоящие люди.

Полная версия:: Crossing the Uncanny Valley: Breakthrough in technology for lifelike facial expressions in androids

Новости 26-12-2024

Исследователи в области инженерии разрабатывают революционную технологию производства алмазных мембран

Исследовательская группа под руководством профессора Чжу Чжицина и профессора Юань Лина из Университета Гонконга, совместно с учеными из Южного университета науки и технологий и Пекинского университета, разработала инновационный метод массового производства ультратонких и ультрагибких алмазных мембран. Эти мембраны совместимы с современными полупроводниковыми технологиями, что открывает возможности для создания различных электронных, фотонных, механических, акустических и квантовых устройств.

Разработанный метод эксфолиации с обнаженными краями позволяет быстро производить масштабируемые свободностоящие алмазные мембраны. Этот подход превосходит традиционные методы, которые часто бывают дорогостоящими и медленными. Новый процесс позволяет за 10 секунд изготовить двухдюймовые пластины, что отличается высокой эффективностью и масштабируемостью.

Эти ультра-гладкие алмазные поверхности, необходимые для высокоточной микропроизводственной деятельности, вместе с гибкостью мембран, открывают новые возможности для создания устройств следующего поколения, таких как гибкие и носимые электронные и фотонные устройства. Команда исследователей видит значительные промышленные приложения в областях электроники, фотоники, механики, теплотехники, акустики и квантовых технологий.

Профессор Чжу выразил надежду на коммерциализацию данной передовой технологии и установление новых стандартов в полупроводниковой индустрии. Алмазы, известные своей прочностью и теплопроводностью, обладают множеством уникальных свойств, но из-за их жесткости было сложно производить ультратонкие мембраны массово. Новый метод способен изменить эту ситуацию, что ведет к более широкому их применению в высокомощных и высокочастотных устройствах, охлаждении мощных электронных компонентов и других областях.

Дополнительная информация

• Какие уникальные свойства алмазов делают их привлекательными для применения в полупроводниковых технологиях? - Алмазы обладают высокой теплопроводностью, что позволяет эффективно рассеивать тепло, они механически прочны и устойчивы к радиации, что делает их полезными в экстремальных условиях.
• Как алмазные мембраны могут повлиять на развитие квантовых технологий? - Алмазные мембраны могут использоваться для стабилизации и защиты квантовых битов (кубитов), что особенно важно для создания надежных квантовых компьютеров.

Полная версия:: Engineering researchers develop revolutionary diamond fabrication technology

Связь между квантовой теорией и теорией информации

Исследователи из Университета Линчёпинга подтвердили давнюю теоретическую связь между принципом дополнительности квантовой механики и теорией информации. Это исследование, опубликованное в Science Advances, углубляет понимание квантовой связи, метрологии и криптографии. Хотя результаты пока не имеют немедленного применения, исследователь Гильерме Б. Хавьер подчеркивает их фундаментальное влияние на будущие технологии в области квантовой информации и компьютеров.

Чтобы понять значимость исследования, необходимо вернуться к основам квантовой механики. Одним из ее фундаментальных аспектов является волново-частичный дуализм света, который проявляет как частичные, так и волновые характеристики. Этот концепт, берущий начало в 17 веке с теорий Исаака Ньютона о свете, утверждает, что свет может одновременно демонстрировать обе природы.

Исследователи из Университета Линчёпинга совместно с польскими и чилийскими коллегами экспериментально подтвердили теорию сингапурских ученых 2014 года. Как описывает Гильерме Б. Хавьер, эксперимент наглядно демонстрирует основное квантово-механическое поведение, добавляя элемент философского интереса, несмотря на невозможность визуализации основного процесса. В их эксперименте были использованы фотоны с орбитальным угловым моментом, что позволяет хранить больше информации и открывает возможности для практических приложений.

В планах будущих экспериментов — наблюдение поведения фотонов с изменениями в настройках второго кристалла перед непосредственным воздействием фотонов. Докторант Даниэль Спегель-Лексне выражает энтузиазм по поводу потенциала использования этой экспериментальной установки для безопасного распределения ключей шифрования, подчеркивая перспективные приложения в квантовой коммуникации.

Дополнительная информация

• Что такое принцип дополнительности квантовой механики и какое значение он имеет для развития квантовых технологий? - Принцип дополнительности в квантовой механике говорит о том, что микроскопические объекты, такие как электроны и фотоны, могут проявлять свойства как частиц, так и волн в зависимости от условий наблюдения. Это имеет большое значение для квантовых технологий, так как позволяет использовать различные квантовые состояния для создания более эффективных вычислительных систем и систем передачи данных.
• Какие возможности предоставляет использование фотонов с орбитальным угловым моментом в различных областях науки и техники? - Использование фотонов с орбитальным угловым моментом расширяет возможности передачи информации, поскольку они позволяют увеличить объем данных, передаваемых по одной и той же частоте, что особенно ценится в области квантовой криптографии и улучшения систем связи.

Полная версия:: A connection between quantum theory and information theory

Расшифровка аномальных свойств воды

Вода, жизненно важная молекула для всего живого, обладает уникальными аномальными свойствами, которые до сих пор вызывают сложности у ученых. Вопрос понимания и воспроизведения этих аномалий при различных температурах остается одной из главных задач. В последнее время ученые разработали новую теоретическую модель, которая превосходит предыдущие методы, объясняя поведение воды в экстремальных условиях. Исследование, представленное в The Journal of Chemical Physics, было выполнено Джанкарло Франчесе и Луисом Энрике Коронас из Барселонского университета.

Эта модель расширяет понимание физики воды, влияя на технологии, биологию и биомедицину, особенно в лечении нейродегенеративных заболеваний и развитии биотехнологий. Модель CVF, возникшая из докторской диссертации Луиса Э. Коронаса, отличается надежностью, эффективностью и масштабируемостью. Она использует квантовые расчеты ab initio для точного воспроизведения термодинамических свойств воды в различных условиях.

Применение этой модели показывает точку перехода между двумя жидкими формами воды, которая, как полагают, является источником уникальных аномалий, делающих воду незаменимой для жизни и технологий. Хотя предыдущие модели приходили к аналогичным выводам, новая CVF модель обладает уникальными характеристиками. Она решает проблемы воспроизведения термодинамических свойств воды, таких как сжимаемость и теплоемкость, где другие модели терпят неудачу.

Модель CVF также предлагает новые преимущества, позволяя проводить расчеты в тех случаях, где другие модели сталкиваются с недостаточной точностью по сравнению с экспериментом. В технологической сфере лаборатории используют квантовые взаимодействия для применения в биотехнологиях, заменяющих мышцы, улучшенных устройствах памяти и графеновых губках для очистки воды через флуктуации плотности на наномасштабе. Модель точно отражает свойства жидкой воды при большинстве температур и давлений на Земле, однако демонстрирует недостатки в экстремальных лабораторных условиях, указывая на значимость ядерных квантовых эффектов в этих условиях.

Дополнительная информация

• Что такое квантовые расчеты ab initio и как они используются в изучении воды? - Квантовые расчеты ab initio - это метод, основанный на квантовой механике, позволяющий предсказывать свойства молекул, таких как энергия, структура и реакционная способность. Они используются для детального изучения водородных связей в воде и понимания её уникальных свойств на молекулярном уровне.
• Какие именно аномальные характеристики воды делают её уникальной для биологических процессов и технологий? - Одними из аномальных характеристик воды являются её высокая удельная теплоёмкость, аномальное расширение при замерзании, высокая растворительская способность и способность образовывать водородные связи. Эти свойства критически важны для поддержания жизни и для многих технологических процессов.

Полная версия:: Deciphering the anomalous properties of water

Новости 25-12-2024

Маленькие роботы, большое влияние: революция в лечении бесплодия с помощью магнитных микророботов

Бесплодие затрагивает около 186 миллионов человек по всему миру, и обструкция маточных труб вносит вклад в 11%-67% случаев женского бесплодия. Исследователи из Лаборатории магнитных мягких микророботов SIAT разработали инновационное решение: магнитно управляемый микроскопический винт для лечения блокад маточных труб.

Микроробот изготовлен из немагнитной фоточувствительной смолы с тонким железным покрытием для придания магнитных свойств. При использовании внешнего магнитного поля робот вращается, создавая трансляционное движение, что позволяет ему двигаться через стеклянный канал, имитирующий маточную трубу. Устройство успешно устраняет клеточные препятствия, имитирующие типичную блокаду в женской репродуктивной системе. Магнитное управление позволяет точно управлять роботом в узких и деликатных структурах.

В будущем исследовательская группа планирует уменьшить размер робота и улучшить его технические характеристики. Они также стремятся испытать робот на моделях изолированных органов и внедрить системы визуализации in vivo для отслеживания движения робота в реальном времени. Команда мечтает расширить область применения робота на хирургические процедуры, включая автоматические системы управления, которые могут повысить эффективность удаления препятствий и других медицинских операций.

Полная версия:: Tiny robots, big impact: Revolutionizing infertility treatment with magnetic microrobots

Утраченная партитура восстанавливает звук музыки и голосов из прошлых веков

В страницах первой полной печатной книги Шотландии обнаружен фрагмент давно утерянной музыки, который раскрывает звук музыки пятиевековой давности. Ученые из Эдинбургского художественного колледжа и Католического университета Лувена в Бельгии изучают этот музыкальный фрагмент из 55 нот в надежде лучше понять музыку раннего шестнадцатого века до Реформации в Шотландии. Эта находка - редкий остаток музыки из шотландских религиозных учреждений того времени и единственный известный фрагмент из северо-восточной части Шотландии той эпохи.

Захватывающее открытие было сделано в экземпляре Абердинского бревиария 1510 года, сборнике религиозных текстов, использованных для ежедневного поклонения в Шотландии. Эта книга включает молитвы, гимны, псалмы и подробные описания жизней шотландских святых. Она получила название «Гламисский экземпляр», так как ранее хранилась в замке Гламис, теперь же она находится в Национальной библиотеке Шотландии в Эдинбурге.

Несмотря на отсутствие текста, названия или какой-либо атрибуции, исследователи идентифицировали этот фрагмент как оригинальную гармонизацию гимна Cultor Dei, традиционно исполняемого в Великий пост. Происхождение Абердинского бревиария связано с инициативой короля Якова IV, который выпустил Королевский патент на местное производство богослужебных книг. Исследователи приписывают композицию региону Абердиншира с связями с часовней Святой Марии в Ратрее и Абердинским собором.

Фрагмент был обнаружен, когда исследователи внимательно изучали рукописные пометки в Гламисском экземпляре. Центральный интерес вызвал небольшой фрагмент музыки на двух линиях в разделе, посвященном утреннему богослужению. Присутствие музыки стало загадкой, так как она была интегрирована в структуру книги, но не входила в оригинальное печатное издание, что указывает на намерение сохранить музыку в книге.

Отсутствие текстовых заметок на странице оставило исследователей в неопределенности относительно характера музыки - священной или светской, и предназначалась ли она для голоса. Исследования показали, что она является полифонической, с несколькими независимыми мелодиями, воспроизводимыми или исполняемыми одновременно. Эта техника была распространена в шотландских религиозных учреждениях того времени, но лишь немногие примеры сохранились.

В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что музыка точно совпадает с мелодией григорианского хорала, конкретно являясь тенором фабурдена для гимна Cultor Dei. Исследователи подчеркивают, что идентификация гармонии позволяет воссоздать полный гимн из ограниченного музыкального материала, возвращая утраченную музыкальную традицию Шотландии. Эта работа, опубликованная в журнале Music and Letters, проливает свет на забытую высококачественную музыкальную традицию до Реформации, сопоставимую с другими частями Европы.

Дополнительная информация

• Что такое Григорианский хорал и какова его роль в религиозной музыке Средневековья? - Григорианский хорал - это форма монофонической, литургической музыки, использовавшаяся в римско-католической церкви, которая имела большое значение для духовной жизни и богослужения в Средневековье.
• Какова была роль короля Якова IV в развитии музыкальной культуры в Шотландии? - Король Яков IV способствовал развитию музыкальной культуры в Шотландии, поощряя музыкальное искусство и поддерживая композиторов и исполнителей при своем дворе.
• Что представляет собой техника полифонии, и как она использовалась в шотландских религиозных учреждениях? - Полифония – это музыкальная техника, в которой несколько независимых мелодических линий звучат одновременно, и в шотландских религиозных учреждениях она использовалась для обогащения церковной музыки и хоровых выступлений.

Полная версия:: Lost score revives sound of music and voices from centuries past

Темная энергия "не существует", следовательно, не может разделять "неровную" Вселенную.

Недавнее исследование предполагает, что темная энергия может не существовать, что бросает вызов долгоживущим представлениям о расширении Вселенной. По мнению исследователей из Университета Кентербери в Новой Зеландии, Вселенная расширяется неравномерно, более "неровным" образом. Это открытие основывается на улучшенном анализе световых кривых сверхновых и согласуется с "timescape" моделью расширения, которая устраняет необходимость в темной энергии, рассматривая различия в калибровке времени и расстояния.

Модель "timescape" объясняет влияние гравитации на время, предполагая, что часы внутри галактик тикают медленнее по сравнению с теми, что находятся в космических пустотах. Например, часы в Млечном Пути будут примерно на 35 процентов медленнее, чем в большой космической пустоте. Это объясняет воспринимаемое ускорение расширения Вселенной, так как в огромных пустотах пространства больше места для расширения. По словам профессора Дэвида Уилтшира, ведущего исследование, темная энергия не нужна, чтобы описать ускоренное расширение Вселенной.

Общепризнанная модель Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) опирается на темную энергию для объяснения наблюдаемого космического ускорения. Тем временем, "Хаббловское напряжение", несоответствие между ранним расширением Вселенной и текущими темпами, усложняет существующие модели. Данные из Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ставят под вопрос традиционные законы расширения, такие как уравнение Фридмана. Более сложная структура Вселенной, в отличие от однородной "суповой смеси," подчеркивает эти расхождения.

Для проверки модели "timescape" на фоне традиционных моделей необходимо больше данных. Европейское космическое агентство, с помощью спутника Euclid, может предоставить потенциальные идеи. Однако потребуется значительное количество наблюдений за сверхновыми для убедительных испытаний. Предыдущие тесты в 2017 году немного благоприятствовали модели "timescape," а новые данные от Euclid и космического телескопа Nancy Grace Roman могут вскоре прояснить истинную природу космического расширения и темной энергии.

Дополнительная информация

• Как темная энергия традиционно влияет на модели космологического расширения? - Темная энергия считается движущей силой ускоренного расширения Вселенной, что изменяет понимание космологической эволюции и строения Вселенной.
• Какое значение имеет "Хаббловское напряжение" для современных космологических моделей? - "Хаббловское напряжение" связано с расхождением в измерениях скорости расширения Вселенной, что может указывать на необходимость пересмотра существующих моделей или открытие новой физики.

Полная версия:: Dark energy 'doesn't exist' so can't be pushing 'lumpy' Universe apart

Новости 24-12-2024

Исследователи делают 'значительный рывок вперед' в квантовом моделировании электронного переноса молекул

Исследователи из Университета Райса добились значительного прогресса в моделировании электронного переноса молекул, важного процесса в таких областях, как молекулярная электроника и фотосинтез. Это достижение, опубликованное в журнале Science Advances, использует квантовый симулятор с заключенными ионами для моделирования динамики электронного переноса с беспрецедентной настраиваемостью. Такой подход позволяет ученым исследовать сложные квантовые взаимодействия, открывая новые горизонты для междисциплинарных исследований.

Основной задачей команды Райса было моделирование критических факторов электронного переноса, таких как энергетические зазоры между донорами и акцепторами, электронные и вибронные связи, а также диссипация в окружающей среде. Для этого они использовали кристалл ионов, заключенный в вакуум, который манипулировался лазерным светом для симуляции динамики спина в реальном времени и измерения скоростей переноса при различных условиях. Работа поддерживает фундаментальные теории квантовой механики, давая представление о системах светопоглощения и молекулярных устройствах.

Эти разработки представляют собой первый случай, когда такая модель была успешно смоделирована на физическом устройстве с контролируемыми ролями среды. Исследование технологий прецизионного управления диссипацией открыло возможности изучения адиабатических и неадиабатических режимов переноса электронов, выявляя оптимальные условия переноса, аналогичные механизмам переноса энергии в природных системах фотосинтеза. Это важно для проектирования новых материалов для светопоглощения.

Практические последствия велики, включая потенциал для прорывов в области возобновляемой энергии, молекулярной электроники и разработки новых материалов для квантовых вычислений. Полученные знания могут привести к проектированию более эффективных материалов для сбора света. В будущем команда планирует расширить симуляции на более сложные системы, такие как фотосинтез и транспорт заряда ДНК. Благодаря своей уникальной квантовой платформе, исследователи надеются изучить роли когерентности и делокализации в квантовых процессах.

Дополнительная информация

• Что такое адиабатический и неадиабатический режимы переноса электронов? - В адиабатическом режиме электроны перемещаются в материале, не меняя свои энергетические состояния быстро, следовательно, система остается в основном энергетическом состоянии. В неадиабатическом режиме переходы между различными энергетическими состояниями происходят быстро, что может привести к изменению в энергии системы.
• Как заключенные ионы используются в квантовых симуляциях? - Заключенные ионы используются в качестве квантовых битов (кубитов) в квантовых симуляциях. Их можно манипулировать с высокой точностью, что позволяет моделировать сложные квантовые системы и процессы.

Полная версия:: Researchers take 'significant leap forward' with quantum simulation of molecular electron transfer

Ученые разработали экономичные лазеры для расширенного применения в диапазоне SWIR

Современные лазерные технологии для спектрального диапазона расширенного SWIR полагаются на дорогие и сложные материалы, что ограничивает их масштабируемость и доступность. Для решения этих проблем исследователи из ICFO во главе с профессором ICREA Герасимосом Константатосом представили новый подход, основанный на коллоидных квантовых точках из сульфида свинца (PbS). Команда добилась испускания когерентного света в расширенном диапазоне SWIR, используя большие коллоидные квантовые точки.

Новая технология на основе CQD позволяет решать упомянутые проблемы, сохраняя при этом совместимость с платформами на основе кремниевых CMOS для встроенной интеграции. Квантовые точки PbS стали первым полупроводниковым материалом, демонстрирующим лазерное излучение в столь широком диапазоне. При этом их химический состав не был изменен. Это достижение прокладывает путь к созданию более компактных и практичных лазеров на коллоидных квантовых точках.

Способность производить недорогие и масштабируемые инфракрасные лазеры в расширенном диапазоне SWIR решает ключевые проблемы в различных технологиях. Это новшество имеет преобразовательный потенциал для множества приложений, включая обнаружение опасных газов, безопасные для глаз системы LIDAR, передовые фотонные интегральные схемы и изображение в SWIR биологическом окне. Индустрии, полагающиеся на системы LIDAR, газоанализ и биомедицину, могут значительно выиграть от этого экономически эффективного и интегрируемого решения.

Профессор ICREA Герасимос Константатос отметил, что их работа знаменует сдвиг парадигмы в технологии инфракрасных лазеров. "Впервые мы добились лазерного излучения в расширенном диапазоне SWIR с помощью материалов, обработанных в растворе при комнатной температуре, тем самым открывая двери для практических приложений и разработки более доступных технологий."

Дополнительная информация

• Что такое спектральный диапазон SWIR, и почему он важен для применения в лазерных технологиях? - Спектральный диапазон SWIR (Short-Wave Infrared) охватывает длины волн от 1 до 3 микрон. Он важен для лазерных технологий, поскольку используется в оптике, фотонике и коммуникационных системах, обеспечивая высокую эффективность передачи сигналов и способность работать при различных погодных условиях.
• Как коллоидные квантовые точки сравниваются с другими материалами, используемыми в лазерных технологиях, по эффективности и стоимости? - Коллоидные квантовые точки имеют уникальные оптические свойства, которые можно настраивать, изменяя размер частиц, что делает их эффективнее в определенных приложениях. Они могут быть более экономичными по сравнению с традиционными материалами, такими как полупроводники, из-за более простого и дешевого процесса производства.

Полная версия:: Scientists develop cost-effective lasers for extended SWIR applications

Новые пути к материалам с квантовыми свойствами «жидкого спина» открыты

Ученые впервые разработали новый метод создания материалов с «неупорядоченными» магнитными свойствами на квантовом уровне. Материал, созданный на основе рутения, удовлетворяет условиям состояния «жидкого спина Китаева» — недостижимого ранее явления, которое специалисты пытаются изучить уже несколько десятилетий.

Традиционные ферромагниты, такие как барные магниты, имеют упорядоченные магнитные свойства, благодаря взаимодействиям электронов, которые выстраиваются в одном направлении. С другой стороны, материалы с квантовой жидкостью спина имеют хаотические магнитные свойства, где электроны взаимодействуют посредством квантовой запутанности.

Создание таких материалов долгое время оставалось проблемой, как с теоретической точки зрения, так и с экспериментальной. Это связано с тем, что в природе подобные материалы нередко возвращаются к упорядоченным состояниям, что усложняет их получение в лабораторных условиях.

В новом исследовании ученые описывают свойства нового материала на основе рутения, который позволяет исследовать состояния материи через более открытую структуру. Это позволяет настраивать взаимодействия между металлическими ионами рутения, создавая условия для квантового состояния жидкости спина Китаева.

По словам ведущего исследователя Доктора Люси Кларк, это открытие показывает, как можно создавать новые материалы для изучения квантовых состояний. Оно предлагает широкий спектр материалов, которые до сих пор были недостаточно изучены и могут открыть новые возможности для квантовых приложений в будущем.

Дополнительная информация

• Что такое "жидкий спин Китаева" и как его можно объяснить простыми словами? - "Жидкий спин Китаева" — это состояние, в котором магнитные спины в материале не упорядочены, а находятся в динамическом состоянии, что позволяет им перемещаться без сопротивления. Это похоже на жидкость, потому что спины могут свободно "течь" без фиксирования в одном положении, что делает материал потенциально полезным для квантовых вычислений.
• Что такое квантовая запутанность и какое значение она имеет в современных исследованиях материалов? - Квантовая запутанность — это явление, при котором две или более частицы остаются связанными так, что изменения в одной моментально отражаются на другой, вне зависимости от расстояния между ними. Это ключевая концепция для квантовых вычислений и коммуникаций, так как позволяет создавать более мощные вычислительные системы и защищенные сети передачи данных.

Полная версия:: New route to 'quantum spin liquid' materials discovered

Новости 23-12-2024

Первые результаты запуска ракеты 2021 года проливают свет на рождение авроры

В 2021 году, учёные из Университета Аляски в Фэрбанксе (UAF) под руководством Питера Деламера провели эксперимент KiNET-X, направленный на изучение процессов на уровне частиц, ответственных за быстрое появление аврор. Результаты эксперимента, стартовавшего с насовского космодрома в Вирджинии, были опубликованы в журнале Physics of Plasmas. Деламэр объясняет, что создание любых подсказок к механизму светообразования авроры сталкиваемся с комплексностью неизвестных факторов в космическом пространстве.

Эксперимент включал в себя запуск одной из крупнейших экспериментальных ракет NASA, которая выпустила две канистры с бариевым термитом в ионосферу над Атлантикой. Канистры были взорваны на высоте 249 миль и затем на 186 миль вниз по пути возле Бермуд. Наземные станции и самолёты NASA следили за облаками, образовавшимися в результате этих взрывов.

KiNET-X имитировал процесс перехода низкоэнергетического солнечного ветра в высокоэнергетическое состояние, способное вызвать авроры. Деламэр и его команда, хотя и не создали аврору, отметили наличие основополагающей физики для ускорения электронов. Эксперимент позволил создать альфвеновскую волну, важный элемент в магнитных плазмах, таких как магнитосфера Земли.

Азвучивая новый подход, эксперимент показал передачу энергии и импульса от облака плазмы бария к окружающему пространству в атмосфере. Это создало поток ускоренных электронов, которые можно сравнить с аврорным пучком электронов, что Деламэр называет «золотой точкой данных» эксперимента. Асимовезно, такой поток пробрасывает свет на механизмы, вызывающие авроры.

В эксперименте также участвовали докторанты UAF: Мэтью Бландин, Кайли Браннинг и Натан Барнс, а также учёные и оборудование из колледжа Дартмут, Университета Нью-Гэмпшира и Университета Клемсона. Эти усилия уже продвинули понимание сложных процессов аврорального светообразования и сулят дальнейшие открытия.

Дополнительная информация

• Что такое альфвеновская волна и как она связана с магнитными плазмами? - Альфвеновская волна — это тип магнитогидродинамической волны в плазме, где магнитные поля передают энергию, вызывая колебания частиц плазмы. Они играют важную роль в процессах переноса энергии в космической и лабораторной плазме.
• Как ускорение электронов связано с формированием авроры в естественных условиях? - Ускоренные электроны взаимодействуют с атмосферой Земли, вызывая свечение газов и образуя аврору. Это происходит, когда частицы солнечного ветра передаются в магнитосферу и направляются к полюсам.

Полная версия:: First results from 2021 rocket launch shed light on aurora's birth

Природа вдохновляет на создание самосборного спирального полимера

Вдохновленные биологическими спиральными структурами, такими как двойная спираль ДНК, исследователи из Высшей школы передовых наук и инженерии Хиросимского университета разработали искусственный полимер, который самоорганизуется в контролируемую спираль.

Исследования были опубликованы 24 октября в журнале Angewandte Chemie. Разработанная команда полимерная структура отличается новой формой из-за наличия механических связей. Эти связи можно разорвать с помощью силы, не нарушая химической структуры, что является привлекательной чертой при разработке материалов с точным управлением.

Такие структуры капельного типа обычно однорукие, то есть их поворот происходит только в одном направлении. Управляя направлением этого поворота, ученые могут определять, как полимер будет вести себя в различных сценариях. Хэйн отмечает, что синтез полимеров с необходимой направленностью был сложной задачей, но теперь это возможно благодаря новому синтетическому методу сверхмолекулярной полимеризации.

Эта стратегия управления направленностью спиралей открывает новые возможности для изучения полимерных материалов с функциями, основанными на контролируемой спиральности. Будущие цели исследователей включают применение этих новых сверхмолекулярных полимеров в области разделения материалов и катализа, что может привести к созданию новой функциональной химии в этом направлении.

Полная версия:: Nature inspires self-assembling helical polymer

Антитело, нейтрализующее ингибирующие факторы, участвующие в регенерации нервов, улучшает функцию двигателя после острого повреждения спинного мозга.

Недавнее исследование, опубликованное в журнале The Lancet Neurology, изучило действие антитела NG 101 (анти-Nogo-A), которое блокирует и нейтрализует белок Nogo-A, препятствующий регенерации поврежденных нервных волокон. Эти механизмы ингибирования препятствуют восстановлению нервов после острого повреждения, и цель антитела - замедлить подобные процессы, позволяя нервным путям восстановиться и спинному мозгу выздороветь.

В исследовании приняли участие 126 человек в возрасте от 18 до 70 лет с полным или неполным острым повреждением спинного мозга в шейной области. Участники были разделены на группы: одна получала инъекции анти-Nogo-A, другая плацебо. Лечение включало шесть инъекций и комплексную стационарную помощь в рандомизированном, двойном слепом режиме, что предотвращало влияние ожиданий на результат.

Результаты показали значительное улучшение в восстановлении двигательных функций у пациентов с неполными повреждениями спинного мозга, таких как реактивация парализованных мышц и функциональная независимость в повседневной жизни. Антитело было хорошо переносимо без побочных эффектов. Для пациентов с полными повреждениями спинного мозга улучшений не наблюдалось, что требует дальнейшего изучения.

Эти обнадеживающие результаты требуют подтверждения в будущих исследованиях. Следующий этап исследований с улучшенной версией антитела начнется в декабре 2024 года для подгрупп пациентов, проявивших положительный ответ на текущее лечение.

Исследование проводилось при поддержке европейской клинической сети, включающей центры в Германии, Швейцарии, Испании и Чехии. Финансирование исследования предоставили ЕС, швейцарские и международные научные фонды, включая программу "Horizon 2020" и проект "CeNeReg". Это сотрудничество подчеркивает международные усилия в развитии лечения спинальных повреждений.

Дополнительная информация

• Как функционирует белок Nogo-A и почему он препятствует регенерации нервных волокон? - Белок Nogo-A присутствует в центральной нервной системе и известен тем, что блокирует регенерацию нервных волокон, предотвращая их рост после повреждения. Он взаимодействует с рецепторами на поверхности нейронов, подавляя пути, которые необходимы для регенерации аксонов.
• Каковы принципы действия двойного слепого исследования и зачем оно применяется в клинических испытаниях? - Двойное слепое исследование — это метод клинического испытания, при котором ни участники, ни исследователи не знают, кто получает тестируемое лечение, а кто — плацебо. Это помогает избежать предвзятости и обеспечить объективность результатов.
• Как международное сотрудничество влияет на развитие медицинских исследований, таких как это? - Международное сотрудничество в медицинских исследованиях позволяет объединять ресурсы, экспертизу и данные, что ускоряет процесс разработок новых методов лечения и медицинских технологий.

Полная версия:: Antibody that neutralizes inhibitory factors involved in nerve regeneration leads to enhanced motor function after acute spinal cord injury

Новости 22-12-2024

Первое продемонстрированное квантовое телепортирование через занятые интернет-кабели

Инженеры Северо-Западного университета впервые успешно продемонстрировали квантовое телепортирование по волоконному кабелю, который уже используется для передачи интернет-трафика. Это открытие создаёт новые возможности для объединения квантовой связи с существующими интернет-кабелями, значительно упрощая инфраструктуру, необходимую для распределённых приложений, таких как квантовое зондирование или вычисления.

Квантовое телепортирование использует так называемое квантовое запутывание, что позволяет обмениваться информацией между частицами на больших расстояниях без их физического перемещения. Ранее считалось, что отдельные фотоны сигналов квантовой связи будут подавлены миллионами световых частиц, передающих классическую информацию. Команда Кумара нашла способ вести квантовые фотоны, избегая этого "движения", используя менее загруженные частоты и специальные фильтры.

Для проверки метода ученые установили 30-километровый кабель, по которому одновременно передавались квантовая информация и интернет-трафик. В ходе эксперимента было зафиксировано успешное телепортирование квантовой информации, несмотря на интенсивное движение сигнала по сетям интернета. Это указывает на возможность сосуществования классической и квантовой связи на одном и том же инфраструктурном уровне.

В будущем Кумар планирует расширить эксперименты на большие расстояния, а также исследовать возможность проведения испытаний не на лабораторных катушках, а на реальных подземных кабелях. Также планируется использовать две пары запутанных фотонов, чтобы продемонстрировать обобщение энтанглемента. Кумар оптимистично смотрит на перспективы квантовой телепортации, которая может обеспечить безопасную квантовую связь между географически удалёнными узлами.

Несмотря на скептицизм многих, которые полагали, что для переноса света потребуется специализированная инфраструктура, команда демонстрирует, что при правильном выборе длин волн можно обойтись без строительства новых систем. Это открывает дверь к совместному сосуществованию квантовой и классической связи.

Дополнительная информация

• Что такое квантовое запутывание и как оно используется в квантовой телепортации? - Квантовое запутывание — это состояние, при котором две или более частицы остаются связанными даже на большом расстоянии, и изменение квантового состояния одной мгновенно отражается на другой. В квантовой телепортации это явление используется для передачи квантовой информации между частицами без физического перемещения.
• Какие преимущества может предоставить квантовая связь в сравнении с традиционной интернет-связью? - Квантовая связь может обеспечить значительно более высокий уровень безопасности благодаря использованию квантовой криптографии. Это делает перехват и расшифровку информации практически невозможными традиционными методами.

Полная версия:: First demonstration of quantum teleportation over busy Internet cables

Возможные истоки тёмной материи в сценарии «тёмного Большого взрыва»

Недавнее исследование команды студентов и преподавателей Университета Колгейт предлагает новую теорию, которая может изменить понимание происхождения тёмной материи. Профессор физики и астрономии Козмин Илие и студент Ричард Кейси исследовали концепцию, предложенную учёными из Техасского университета в Остине, Кэтрин Фриз и Мартином Винклером, предположив, что тёмная материя могла появиться в результате отдельного «Тёмного Большого взрыва», следующего за рождением Вселенной.

Принято считать, что вся материя во Вселенной возникла из одного события — Большого взрыва. Однако одна из главных загадок науки — это природа и происхождение тёмной материи, составляющей около 25% современной энергетической величины Вселенной. Несмотря на то, что её ещё не зарегистрировали в экспериментах на Земле, её гравитационные эффекты хорошо известны.

Согласно модели 2023 года, предложенной учёными Фриз и Винклером, тёмная материя могла возникнуть из отдельного Большого взрыва, который мог произойти спустя месяцы после первоначального. В этом сценарии частицы тёмной материи производятся из распада квантового поля, связанного только с Тёмным сектором и находящегося в метастабильном вакууме.

Илие и Кейси в своём исследовании раскрыли диапазон параметров, которые могут объяснить такую природу тёмной материи, а также потенциальные следствия, такие как гравитационные волны, которые могут быть обнаружены в будущих экспериментах. Это значительное достижение, и современные и будущие эксперименты, такие как IPTA и SKA, могут сыграть решающую роль в проверке этой теории.

Обнаружение фона гравитационных волн коллаборацией NANOGrav, частью IPTA, могло бы подтвердить концепцию Тёмного Большого взрыва. Этот успех мог бы привести к уточнению параметров, определяющих этот процесс, и возможному подтверждению новой теории происхождения тёмной материи.

Последствия этих открытий выходят за рамки понятия тёмной материи, они предлагают новый взгляд на раннюю историю Вселенной и силы, формировавшие её эволюцию. Поиск ответов на тайны тёмной материи и её происхождения продолжает быть ключевой задачей современной космологии.

Дополнительная информация

• Что такое метастабильный вакуум и как он связан с моделями темной материи? - Метастабильный вакуум — это состояние, в котором Вселенная может находиться, но имеющее возможность перейти в более стабильное состояние с меньшей энергией. В некоторых моделях темная материя может влиять на такие переходы.
• Как тёмная материя влияет на структуру и эволюцию Вселенной? - Тёмная материя формирует "гравитационные ямы", в которых образуются галактики. Она действует как невидимый каркас, стабилизируя структуры и влияя на их рост и развитие.

Полная версия:: Possible origins of dark matter in 'Dark Big Bang' scenario

Энергия видимого света обеспечивает двойной эффект при добавлении в процесс переработки CO2

Исследователи открыли инновационный метод улучшения преобразования углекислого газа в ценные продукты, комбинируя видимый свет и электрохимию. Этот успех существенно улучшает химическую характеристику, называемую селективностью, обещая потенциальные изменения не только в области переработки CO2, но и в более широких химических реакциях в катализе и производстве. Прорыв был осуществлён командой, включая профессора химии Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн Прашанта Джейна.

Электрохимическое восстановление является методом, при котором CO2 перерабатывается в полезные продукты, преобразуясь в окись углерода и водород в электролизной ячейке. Однако процесс традиционно медлителен и требует значительного количества дорогих катализаторных материалов, таких как золото или медь. Профессор Джейн упомянул о своей работе по ускорению реакции для уменьшения количества необходимого катализатора, делая это более осуществимым вариантом для индустрии альтернативных топлив.

В своём исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда использовала видимый свет совместно с электродами, покрытыми наночастицами сплава золота и меди, чтобы значительно повысить скорость восстановления CO2 и достичь большего контроля над селективностью. Джейн сравнил эти электроды с маленькими антеннами, которые улавливают фотоны в диапазоне видимого света и интегрируют их в химический путь реакции, представляя более эффективный подход по сравнению с существующими техниками.

Экспериментальные испытания включали погружение электродов в раствор CO2, воды и электролита при приложении напряжения и лазерного освещения видимым светом. В результате быстро образовывались окись углерода и водород. Профессор Джейн выразил восторг по поводу возросшей производительности и отметил неожиданно важное влияние видимого света на химическую селективность. Эти результаты могли бы привести к оптимизации производства синтез-газа, предлагая многообещающие перспективы для устойчивой энергетики.

Хотя были достигнуты успехи, остаются вызовы в достижении промышленного масштаба применения, в особенности касающиеся долговечности наночастичных электродов и общей энергетической эффективности. Ожидается, что будущие исследования управления светом и эффективности процесса смогут преодолеть эти препятствия. Исследование предполагает трансформационные изменения в электрохимии и катализе с потенциальным расширением приложений за пределы только переработки CO2 или разделения воды.

Дополнительная информация

• Как наночастицы золота и меди взаимодействуют с CO2 в процессе электрохимического восстановления? - Наночастицы золота и меди могут действовать как катализаторы в процессе электрохимического восстановления CO2, помогая преобразовать его в полезные химические вещества, такие как угарный газ или метан, посредством редукционных реакций.
• Что такое селективность в химических реакциях и почему она важна для переработки CO2? - Селективность — это способность химической реакции производить конкретный желаемый продукт среди множества возможных. Для переработки CO2 важна высокая селективность, чтобы минимизировать побочные реакции и повысить эффективность преобразования в ценные продукты.
• Какие другие технологии используются для улучшения долговечности наночастичных электродов в химических процессах? - Для улучшения долговечности наночастичных электродов используются покрытия из стойких материалов, оптимизация условий реакции и использование гибридных структур, которые могут устойчиво переносить механические и химические нагрузки.

Полная версия:: Visible light energy yields two-for-one deal when added to CO2 recycling process

Новости 21-12-2024

Может ли сердце исцелять себя само? Новое исследование говорит, что да.

Исследователи из Университета Аризоны обнаружили, что у некоторых пациентов с искусственными сердцами наблюдается способность к регенерации сердечной мышцы, что может открыть новый путь в лечении сердечной недостаточности. Это открытие, опубликованное в журнале Circulation, дает надежду на развитие новых методов лечения. Сердечная недостаточность затрагивает около 7 миллионов взрослых в США, причем пока не существует лечения, позволяющего полностью излечить болезнь, хотя некоторые лекарства могут замедлить ее прогрессирование.

Основное лечение сердечной недостаточности, помимо трансплантации сердца, заключается в использовании левого желудочкового вспомогательного устройства, искусственного сердца, которое помогает качать кровь. В процессе исследования международная группа экспертов использовала уникальные методы углеродного датирования, чтобы определить новообразованные клетки у пациентов с искусственным сердцем. Они обнаружили, что такие пациенты имеют уровень регенерации мышечных клеток более чем в шесть раз выше, чем у здоровых сердец.

Исследование предполагает, что отдых сердца благодаря искусственной помощи может способствовать регенерации мышечной ткани. Эта находка подкрепляет теорию о том, что молекулярные пути, участвующие в этом процессе, могут быть ключом к улучшению способности сердца к восстановлению. Это открывает новые перспективы для лечения сердечной недостаточности, внесенные предыдущими исследованиями ведущего ученого проекта, доктора Хешама Садека.

Ранее, в 2011 году, Садек обнаружил, что после рождения клетки сердечной мышцы прекращают делиться и полностью сосредотачиваются на постоянной задаче перекачивания крови. Его последующие наблюдения за делением клеток у пациентов с искусственными сердцами предполагали возможную регенерацию, что подтверждает, что механическое насосное устройство может обеспечить сердечной мышце необходимый отдых для восстановления.

В дальнейшем исследователи планируют выяснить, почему только около 25% пациентов с искусственными сердцами демонстрируют способность к регенерации. Понимание того, почему у одних пациентов регенерация происходит, а у других нет, может изменить стратегии лечения. Доктор Садек отмечает, что следующий шаг заключается в возможности обеспечить эту регенерацию у всех пациентов, что может стать значительным прорывом в лечении сердечной недостаточности.

Дополнительная информация

• Как левожелудочковое вспомогательное устройство технически помогает сердцу и какие есть потенциальные риски его использования? - Левожелудочковое вспомогательное устройство (ЛВАД) помогает сердцу, частично перекачивая кровь от левого желудочка к остальным частям тела. Оно используется при тяжелой сердечной недостаточности. Потенциальные риски включают инфекции, тромбообразование и механические поломки устройства.
• Какие генетические факторы могут повлиять на способность сердца к регенерации? - Генетические факторы, такие как мутации в генах, ответственных за регенерацию клеток, могут существенно влиять на способность сердца восстанавливаться после повреждения. Исследования продолжаются для выявления конкретных генов и механизмов, способствующих регенерации.

Полная версия:: Can the heart heal itself? New study says it can

Большой адронный коллайдер регулярно создает волшебство

Братская пара исследователей обнаружила, что при создании Большим адронным коллайдером (БАК) топ-кварков — самых тяжелых известных фундаментальных частиц — он регулярно создает свойство, называемое волшебством. Это открытие, опубликованное в Physical Review D, имеет важное значение для развития квантовых вычислений, где волшебство измеряет сложность квантовой системы для вычисления обычным компьютером.

Профессор Мартин Уайт из Университета Аделаиды и его брат профессор Крис Уайт из Лондонского университета королевы Марии, под руководством которых проводилось исследование, объясняют, что чем выше степень волшебства, тем больше потребность в квантовых компьютерах для описания поведения системы. Изучение волшебных свойств квантовых систем приводит к значительным открытиям в разработке и потенциальном использовании квантовых компьютеров.

БАК — крупнейший и мощнейший в мире ускоритель частиц, представляющий собой 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов с несколькими ускоряющими структурами, через которые проходят два высокоэнергетических пучка частиц со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем столкнуться. Количество волшебства, проявляемого топ-кварками, зависит от их скорости и направления движения, что может быть измерено детекторами ATLAS и CMS, наблюдающими результаты протонных столкновений в БАК.

Потенциальные преимущества квантовых компьютеров огромны и включают улучшения в таких областях, как открытие лекарств и материаловедение. Использование этой мощности требует крепких и контролируемых квантовых состояний, где волшебство играет критически важную роль. Профессор Уайт утверждает, что данное исследование открывает новые горизонты в понимании связи между квантовой информационной теорией и физикой высоких энергий и представляет собой не только исследование самых тяжелых частиц во вселенной, но и потенциала новой революционной парадигмы вычислений.

Дополнительная информация

• Что такое топ-кварки и почему они такие важные для физики элементарных частиц? - Топ-кварки являются самыми массивными кварками и играют ключевую роль в проверке и развитии стандартной модели физики, поскольку их свойства могут помочь понять механизмы нарушения симметрий и массы других частиц.
• Как детекторы ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере отслеживают результаты столкновений протонов? - Детекторы ATLAS и CMS фиксируют продукты столкновений протонов с помощью комплексных систем на основе магнитных полей и различных типов сенсоров, которые измеряют траектории и энергию рожденных частиц.

Полная версия:: Large Hadron Collider regularly makes magic

Рои микророботов, похожих на муравьев, поднимают тяжелые объекты и преодолевают препятствия

Ученые из Южной Кореи разработали рои крошечных магнитных роботов, которые работают вместе, как муравьи, чтобы выполнять сложные задачи, такие как передвижение и подъем объектов, превышающих их размер. Эти микророботы, контролируемые вращающимся магнитным полем, могут использоваться в сложных условиях, справляясь с задачами, которые трудно выполнить одиночным роботам. Например, они могут предложить минимально инвазивное лечение закупоренных артерий, точно направляя организмы.

Команда под руководством Чонга Чжае Вие из Университета Ханян в Сеуле тестировала, как рои с разными конфигурациями справляются с различными задачами. Они обнаружили, что рои с высокой плотностью упаковки могут преодолевать препятствия, в пять раз превышающие длину одного робота, и запустить себя через него. Также рои из тысячи роботов могут образовать плот, который транспортирует груз, тяжесть которого в 2000 раз больше массы одного робота, через жидкость.

Для выполнения задач на суше рои способны перемещать грузы, в 350 раз тяжелее каждого индивидуального робота, а другие рои могут разблокировать трубки, имитирующие заблокированные кровеносные сосуды. При помощи вращательных и орбитальных движений рои могут направлять движения маленьких организмов, что открывает новые возможности в различных областях.

Исследование рой разработанных в форме кубиков показывает, что более крупные поверхности контакта этих роботов создают более сильные магнитные взаимодействия. Каждый из таких роботов высотой в 600 микрометров состоит из эпоксидного корпуса с частицами неодимового железо-бора, что позволяет ему реагировать на магнитные поля и взаимодействовать с другими роботами в поле. Удобные методы массового производства обеспечивают одинаковую геометрию и магнитизацию, способствуя стабильности работы роя.

Несмотря на многообещающие результаты, по словам Вие, необходимо повысить уровень автономии роев для их полноценного применения в реальных условиях. В настоящее время им требуется внешнее магнитное управление, и они не способны к автономной навигации в сложных или ограниченных пространствах. Будущие исследования будут сосредоточены на улучшении уровня автономии, включая обратную связь в реальном времени для контроля движений и траекторий роботов.

Дополнительная информация

• Каковы преимущества использования магнитного поля для управления микророботами по сравнению с другими методами управления? - Магнитное поле позволяет управлять микророботами без необходимости в их энергообеспечении собственными источниками питания. Это делает роботов легкими и очень маневренными, а также позволяет точно позиционировать их в сложных средах.
• Какие еще существуют технологии или методы для минимально инвазивного лечения заболеваний, кроме использования микророботов? - Помимо микророботов, широко используются методы такие как лапароскопия, которая позволяет проводить операции через небольшие разрезы, и ультразвук, используемый для разрушения камней в почках или лечения опухолей.
• Какие вызовы существуют в массовом производстве таких маленьких и сложных роботов? - Основные вызовы включают в себя высокую сложность сборки на микроуровне, необходимость в материалах, которые подходят для медицинского применения, и затраты на разработку и производство высокотехнологичных компонентов.

Полная версия:: Swarms of 'ant-like' robots lift heavy objects and hurl themselves over obstacles

Новости 20-12-2024

Физики проверяют обоснованность струнной теории.

Струнная теория, появившаяся более полувека назад как концепция для объяснения образования материи, до сих пор остаётся труднодосягаемой для формального доказательства. Однако команда физиков сделала важный шаг к её проверке, используя инновационный математический метод, который подтверждает её "неизбежность".

Струнная теория предполагает, что самые элементарные строительные блоки природы — это не частицы, а одномерные вибрирующие струны, которые задают тип возникающей частицы в зависимости от частоты колебаний. Исследователи из Нью-Йоркского университета и Калтеха задали вопрос: "Какой математический вопрос решается только струнной теорией?" Этот подход известен как "bootstrap" — метод "самодостаточности".

Исследователи разработали математические формулы для описания взаимодействий частиц, при которых результаты струнной теории оказались единственно логичными. Это открытие, впервые представленное в журнале Physical Review Letters, приближает нас к пониманию того, каким образом струнная теория может описывать нашу вселенную.

Авторы статьи, включая профессоров из Калтеха, подчеркивают, что это исследование может помочь лучше понять квантовую гравитацию, объединяющую общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Подход открывает новые возможности для изучения уникальности амплитуд струнной теории и был поддержан грантом Министерства энергетики США.

Дополнительная информация

• Что такое метод "bootstrap" в физике и как он используется в других контекстах? - В физике метод "bootstrap" относится к подходам, использующим самосогласованные условия для изучения теорий, например, в квантовой теории поля для анализа взаимодействий без точных решений. В статистике "bootstrap" используется для оценки доверительных интервалов и ошибок, выборочно перебирая данные и оценивая параметры много раз.
• Какие другие подходы существуют для объединения общей теории относительности и квантовой механики, помимо струнной теории? - Одним из подходов является петлевая квантовая гравитация, которая пытается квантовать пространство-время напрямую. Также существует асимптотическая безопасность, которая изучает возможность создания самосогласованной квантовой теории гравитации с высокими энергиями.

Полная версия:: Physicists 'bootstrap' validity of string theory

Пространственно-временные кристаллы: важный шаг к новым оптическим материалам

Пространственно-временные кристаллы являются материалами, которые могут повысить производительность и эффективность беспроводных коммуникаций и лазерных технологий. Эти материалы имеют периодическое расположение в трех измерениях, а также во времени, что позволяет точно управлять свойствами света. В сотрудничестве с партнерами из Университета Аалто, Университета Восточной Финляндии и Инженерного университета Харбина в Китае ученые из Технологического института Карлсруэ показали, как такие четырехмерные материалы могут использоваться в практических приложениях.

Фотонные временные кристаллы состоят из материалов с однородным составом в пространстве, но с свойствами, которые варьируются периодически во времени. Это периодическое изменение позволяет модулировать и усиливать спектральный состав света по мере необходимости, что является ключевым для оптической обработки информации. Тем не менее, это также представляет собой множество вызовов, которые ученым удалось преодолеть в ходе исследования.

Основным параметром фотонного временного кристалла является его запрещенная зона в импульсном пространстве, которая влияет на направление, в котором свет должен распространяться для усиления. Исследователи решили эту задачу, объединив фотонные временные кристаллы с дополнительной пространственной структурой. Они создали «фотонные пространственно-временные кристаллы», используя кремниевые сферы, которые удерживают свет дольше и способствуют лучшему взаимодействию света и материи.

Ученые выражают большой энтузиазм относительно возможностей применения таких новых оптических материалов в будущем. Эти материалы могут найти применение не только в оптике и фотонике, но и вдохновить исследования в других областях физики. Это исследование, финансируемое Немецким исследовательским фондом, является частью инициативы по изучению волновых явлений, что подчеркивает его значимость и интеграцию в более широкие научные исследования.

Проект поддержан Центром совместных исследований и ассоциацией Гельмгольца, которые занимаются изучением информационных технологий. Это открытие помогает реализовывать огромный потенциал современных исследований в области оптических материалов.

Дополнительная информация

• Что такое фотонные временные кристаллы и как они отличаются от обычных фотонных кристаллов? - Фотонные временные кристаллы создают структуру, которая изменяется во времени, что позволяет манипулировать свойствами волн света на временной шкале, в отличие от обычных фотонных кристаллов, которые изменяют пути света при использовании фиксированных пространственно-периодических структур.
• Как могут пространственно-временные кристаллы повлиять на развитие будущих коммуникационных технологий? - Эти кристаллы могут значительно улучшить быстродействие и эффективность коммуникационных систем благодаря их способности манипулировать светом в пространстве и времени.
• Как немецкий исследовательский фонд связан с финансированием и управлением научными исследованиями в Германии? - Немецкий исследовательский фонд (DFG) является основным центральным агентством, финансирующим научные исследования в Германии, предоставляя гранты для проектов в различных областях науки и техники.

Полная версия:: Space-time crystals, an important step toward new optical materials

Частица, обладающая массой только при движении в одном направлении, впервые обнаружена

Впервые учёные успешно наблюдали полудираковский фермионный квазичастицу, которая в одном направлении не имеет массы, а в другом обладает ею, внутри кристалла полуметаллического материала ZrSiS. Это значительное открытие, которое может привести к разработке новых технологий, таких как аккумуляторы и сенсоры, было инициировано учёными из Университета Пенсильвании и Колумбийского университета. Их находки были опубликованы в журнале Physical Review X.

По словам Иньмина Шао, ведущего автора и ассистента профессора физики в Университете Пенсильвании, команда была поражена случайной находкой подобных частиц. Изначально они не искали полудираковский фермион, но заметили необычные сигналы, которые привели к этому открытию. Квазичастица обладает уникальными свойствами, иногда ведя себя как имеющая массу, а иногда как не имеющая, в зависимости от направления движения.

Квазичастицы, такие как наблюдаемые полудираковские фермионы, возникают из совместного поведения частиц в твёрдых телах, проявляя уникальные характеристики, отличные от индивидуальных частиц. Например, фотон является безмассовым, так как движется со скоростью света. Концепция о том, что квазичастицы могут обладать массой только в одном направлении, была выдвинута в 2008 и 2009 годах, предсказывая уникальное свойство изменения массы.

Шестнадцать лет спустя теоретического предсказания, Шао и его команда случайно наблюдали эти квазичастицы через магнитно-оптическую спектроскопию, используемую на кристаллах ZrSiS. Это позволило изучить внутренние характеристики этих квазичастиц, которые заперты внутри кристаллов полуметаллического материала, при помощи ультра-сильного магнитного поля в Национальной лаборатории высокой магнитной силы во Флориде.

Эксперименты выявили новый энергетический зависимый паттерн в кристалле ZrSiS, называемый законом мощности "B^(2/3)", что считалось ключевым признаком полудираковских фермионов. Эти результаты вызвали совместное исследование с теоретиками для разработки модели описания электронной структуры ZrSiS. Учёным предстоит выяснить, как электроны, подобно поезду на рельсах, теряют массу в одних направлениях и сохраняют в других, что может повысить точность управления поведением материалов.

Дополнительная информация

• Что такое полудираковские фермионы и чем они отличаются от других фермионов? - Полудираковские фермионы — это квазичастицы, которые обладают свойствами, похожими на свойства фермионов Дирака, но с определенными отклонениями из-за их топологических характеристик. Они отличаются тем, что могут демонстрировать необычные электрические и магнитные свойства.
• Какова роль квазичастиц в современном материаловедении? - Квазичастицы играют ключевую роль в материалах, выступая в качестве посредников, которые объясняют различные коллективные явления, такие как сверхпроводимость и квантовый эффект Холла, что помогает в разработке новых материалов с уникальными свойствами.
• Каковы свойства материала ZrSiS и почему он используется в этих исследованиях? - ZrSiS известен своим уникальным электронным строением и высокой степенью проводимости, что делает его полезным в исследованиях топологических материалов, благодаря определенной двумерной электронной структуре и слабо диспергирующим поверхностным состояниям.

Полная версия:: Particle that only has mass when moving in one direction observed for first time

Новости 19-12-2024

Шторм в лазерном луче: Физики создают «световые ураганы», способные нести огромные объемы данных

Исследователи из Университета Аалто нашли новый способ создания микроскопических ураганов из света, называемых учеными вихрями, которые могут нести информацию. Этот метод основан на манипуляции металлическими наночастицами, взаимодействующими с электрическим полем. Конструкция, основанная на геометрии, известной как квазикристаллы, была предложена исследователем Кристианом Арьясом и экспериментально реализована Яни Таскиненом, оба из группы квантовой динамики профессора Пяйви Тёрмя. Это открытие представляет собой важный шаг вперед и обещает новые способы передачи информации.

Вихрь в данном случае напоминает ураган, формирующийся в луче света, где спокойный и темный центр окружен кольцом яркого света. Как и в случае урагана, центр вихря темный из-за того, что электрическое поле яркого света указывает в разные направления в различных частях луча. Предыдущие исследования показали связь между симметрией структуры, создающей вихри, и видом возникающих вихрей. Новый метод команды позволяет создавать формы, которые теоретически поддерживают любые вихри.

В рамках исследования группа манипулировала 100,000 металлическими наночастицами, чтобы создать уникальный дизайн, вводя частицы в места с низким взаимодействием с электрическим полем. Это позволило выбрать поле с наиболее интересными свойствами для приложений. Открытие открывает перспективы для исследований в активно изучаемой области топологии света и является первым шагом к улучшенной передаче информации через оптоволокно.

Практическое применение и масштабирование данной технологии потребуют года инженерных разработок. Однако группа квантовой динамики при Университете Аалто продолжает исследования в области сверхпроводимости и улучшения органических светодиодов. Они использовали исследовательскую инфраструктуру OtaNano для новаторского проекта, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Communications в начале ноября.

Дополнительная информация

• Как металлические наночастицы взаимодействуют с электрическим полем для создания световых вихрей? - Металлические наночастицы могут взаимодействовать с электрическим полем, создавая поверхностные плазмоны, которые формируют сложные электромагнитные структуры, такие как световые вихри.
• Что такое квазикристаллы и какое их преимущество в создании световых вихрей? - Квазикристаллы - это структуры, которые имеют упорядоченность, но не периодичность. Их преимущество в создании световых вихрей заключается в уникальной дифракции и распространении волн, что позволяет манипулировать светом более сложными способами.
• Как топологические свойства света могут улучшить передачу данных через оптоволокно? - Топологические свойства света, такие как спиновое состояние и орбитально-угловой момент, могут увеличить емкость передачи данных в оптоволокне, минимизируя потерю и искажение сигнала.

Полная версия:: Storm in a laser beam: Physicists create 'light hurricanes' that could transport huge amounts of data

Новый материал для ускорения и повышения эффективности электроники следующего поколения

Ученые Университета Миннесоты создали новый материал, который станет ключевым элементом для разработки более быстрых и эффективных высокомощных электронных устройств, сохраняя при этом их прозрачность. Этот искусственно созданный материал позволяет электронам двигаться быстрее и остается прозрачным для видимого и ультрафиолетового света, устанавливая новый рекорд.

Это исследование, опубликованное в рецензируемом научном журнале Science Advances, знаменует собой значительный прорыв в проектировании полупроводников, что крайне важно для мировой индустрии с оборотом в триллионы долларов. Полупроводники являются основой почти всех электронных устройств — от смартфонов до медицинского оборудования. Основной задачей для развития этих технологий является улучшение материалов с "очень широким запрещенным энергетическим промежутком", которые могут эффективно проводить электричество даже в экстремальных условиях. Такие полупроводники обеспечивают высокую производительность при высоких температурах, что делает их необходимыми для более прочной и надежной электроники.

Новый материал представляет собой прозрачный проводящий оксид с особой тонкослойной структурой, которая улучшает прозрачность без ущерба для проводимости. Этот уникальный достижение поддерживает создание более быстрых и эффективных устройств, открывая путь к прорывам в компьютерах, смартфонах и, возможно, даже в квантовых вычислениях. В условиях, когда технологии и применения искусственного интеллекта требуют все более продвинутых материалов, это прорывное развитие предлагает многообещающее решение.

Профессор Бхарат Джалан из Университета Миннесоты заявил, что этот прорыв изменит подход к материалам, пока сдерживавшим производительность устройств в глубоком ультрафиолете. Это исследование не только демонстрирует беспрецедентное сочетание прозрачности и проводимости в диапазоне глубокой УФ-спектра, но и открывает путь для инноваций в высокомощных и оптоэлектронных устройствах, работающих в самых сложных условиях. Учеными, участвовавшими в работе, стали студенты-фэлло Фэньдэн Лиу и Жифей Ян, которые провели многочисленные эксперименты и устранили дефекты материала, чтобы повысить его характеристики. Это исследование показывает, насколько мощными могут быть перовскиты на основе оксидов как полупроводники, если контролировать дефекты.

Дополнительная информация

• Какие другие материалы имеют "очень широкий запрещенный энергетический промежуток", и какова их роль в электронике? - Материалы с очень широким запрещенным энергетическим промежутком включают в себя диэлектрики, такие как оксид кремния и алмаз. Они используются в электронике для изоляции и защиты токопроводящих частей схем.
• Как перовскиты на основе оксидов сравниваются с традиционными полупроводниками в высокотемпературных условиях? - Перовскиты на основе оксидов демонстрируют высокую устойчивость к температурам и могут сохранять свои электрические свойства стабильными, в то время как традиционные полупроводники, такие как кремний, теряют эффективность при высоких температурах.

Полная версия:: New material to make next generation of electronics faster and more efficient

Новый метод расщепления воды для производства водорода — чистого источника топлива

Ученые активно ищут чистые источники топлива, такие как водород, чтобы двигаться к углеродной нейтральности. Команда исследователей из Университета Тохоку, Токийского университета науки и корпорации Mitsubishi Materials совершила прорыв в улучшении эффективности фотокаталитической реакции, расщепляющей воду на водород.

Исследовательская группа разработала новый метод, использующий ультратонкие смешанные оксиды родия-хрома для современных фотокатализаторов. Эти ко-катализаторы крайне мелкие, что значительно увеличивает их активность, а выборочное нанесение позволяет размещать их на тех участках, где происходит желаемая реакция.

Уменьшение размера частиц и выборочное размещение ко-катализаторов позволили повысить эффективность производства водорода в 2.6 раза по сравнению с традиционными методами. Это представляет собой самую высокую на сегодняшний день кажущуюся квантовую эффективность для титаната стронция.

Этот новый подход значительно улучшает наши возможности по генерации водорода без вредных побочных продуктов, таких как углекислый газ. Это может способствовать использованию водорода как более доступного и экологически чистого источника энергии, помогая нам сделать воздух чище.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют ультратонкие смешанные оксиды родия-хрома по сравнению с другими материалами в фотокатализе? - Ультратонкие смешанные оксиды родия-хрома обладают высокой эффективностью за счет увеличенной поверхностной площади и улучшенного поглощения света, что способствует более эффективному фотокатализу.
• Какова роль титаната стронция в процессе фотокаталитической реакции по расщеплению воды? - Титанат стронция выступает в качестве фотокаталитического материала, который способствует разделению воды на водород и кислород под воздействием света, играя ключевую роль в производстве водорода как источника чистой энергии.

Полная версия:: A novel method to split water to create hydrogen -- a clean source of fuel

Фильм из тория может заменить кристаллы в атомных часах в ближайшем будущем.

Атомные часы, использующие ядро тория-229 внутри прозрачных кристаллов под воздействием лазера, обещают повысить точность измерений времени и гравитации и могут пересмотреть основные законы физики. Однако кристаллы с добавкой тория-229 редки и радиоактивны. Для решения этой проблемы предлагается использование тонкой пленки из сухого прекурсора тория-229, что позволяет уменьшить стоимость, радиоактивность и размер, облегчив таким образом производство более компактных и экономичных атомных часов.

Физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) недавно продемонстрировали, что ядро атома тория-229 внутри кристалла может поглощать и излучать фотоны подобно атомным электронам, что решает давние сомнения в этой способности. Возбуждение ядра с помощью лазеров может привести к созданию атомных часов с беспрецедентной точностью, что облегчит точные оценки времени и гравитации и возможно бросит вызов основным физическим принципам.

Нехватка и радиоактивность кристаллов с добавкой тория-229 являются значительной проблемой. Недавно опубликованная работа UCLA предлагает решение через разработку тонких пленок из прекурсора тория-229, требующих меньше материалов и обладающих радиоактивностью на уровне обычного банана. Эти пленки продемонстрировали необходимое лазерное возбуждение ядер для ядерных часов и могут быть массово произведены для использования в ядерных часах и других технологиях квантовой оптики.

Новый подход включает использование сухого сульфата тория-229, растворенного в ультрачистой воде с добавлением фторида водорода для получения осадка тория-229. Этот осадок затем нагревают до испарения и конденсируют на поверхностях из сапфира и фторида магния. Пленка подвергается воздействию вакуумного ультрафиолетового лазера, что подтверждает более ранние результаты возбуждения ядерных состояний и излучения фотонов.

Анастасия Александрова, профессор UCLA и соавтор исследования, подчеркивает преимущество использования исходного материала из фторида тория, объясняя, что однородная атомная среда приводит к постоянным энергетическим уровням возбуждения. Эта постоянство облегчает создание стабильных и точных часов, делая материал уникальным. Такая характеристика важна для разработки точных и надежных атомных часов, которые могут быть использованы во многих отраслях и исследованиях, предлагая компактность и потенциал для научных открытий.

Дополнительная информация

• Что представляют собой атомные часы и как они используются в науке и технологиях? - Атомные часы используют вибрации атомов для измерения времени с чрезвычайно высокой точностью. Они применяются в глобальных навигационных спутниковых системах (GNSS), таких как GPS, для синхронизации телекоммуникационных систем и в научных исследованиях, включая тестирование фундаментальных физических теорий.
• Какие современные проблемы в физике могут быть решены с помощью более точных атомных часов? - Более точные атомные часы могут помочь в тестировании общей теории относительности, поиске потенциальных изменений фундаментальных физических констант и улучшении технологий квантовой связи.

Полная версия:: Thorium film could replace crystals in atomic clocks of the near future

Популяризация настольных точных лазеров для квантовой науки на масштабах чипа.

Лазеры играют ключевую роль в экспериментах, требующих точных атомных измерений и контроля, таких как двухфотонные атомные часы и квантовые гейты. Традиционно для таких задач использовались лабораторные лазеры, которые хоть и эффективны, но являются громоздкими и дорогими настольными системами.

Команда Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством профессора Дэниела Блюменталя стремится миниатюризировать эти передовые лазерные технологии до масштаба небольших портативных устройств. Подобные инновации могут революционизировать квантовые системы, сделав их более доступными для использования в различных областях, включая космические квантовые сенсоры.

В недавней публикации в Scientific Reports команда Блюменталя представила лазер на чипе размером с коробку спичек, который превосходит более крупные лазеры по параметрам работы и стоимости. Этот компактный самовпрыскивающийся заблокированный лазер работает на длине волны 780 нм и значительно дешевле и менее громоздок, чем традиционные системы. Новая технология компактных лазеров может найти применение в различных сценариях за пределами лаборатории.

Разработка сосредоточена на использовании рубидия для стабилизации лазера благодаря его преимуществам для высокоточных измерений. Оптические переходы рубидия устойчивы, что делает его идеальным для использования в атомных часах и сенсорах. Используя рубидиевые атомы в качестве эталона стабилизации, лазер наследует их стабильность, улучшая точность измерений. Эта технология создает новые возможности для использования высокоточных низкозатратных лазерных систем в таких областях, как создание гравитационных карт или отслеживание изменений в окружающей среде, в том числе мониторинг уровня моря и тектонической активности.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеет использование рубидия по сравнению с другими элементами для стабилизации лазеров? - Рубидий используется для стабилизации лазеров благодаря его узким спектральным линиям, которые обеспечивают высокую стабильность частоты и точность, необходимые в прецизионных экспериментах, таких как атомные часы и оптические резонаторы.
• Какие существуют текущие и потенциальные применения компактных лазерных систем за пределами лаборатории? - Компактные лазерные системы широко применяются в медицине для лазерной хирургии и терапии, в телекоммуникациях для передачи данных, а также в системах расстояния и навигации, таких как LIDAR для беспилотных транспортных средств.

Полная версия:: Bringing the power of tabletop precision lasers for quantum science to the chip scale

Прорыв в 10-ГэВ эксперименте проливает свет на взаимодействия лазера и плазмы

Ученые из Лоуренсской национальной лаборатории в Беркли сделали значительный прорыв в лазерно-плазменном ускорении, что открывает возможности для создания компактных и мощных ускорителей частиц, полезных в таких областях, как физика частиц, медицина и материаловедение. Им удалось разработать двухлазерную систему, которая ускоряет электроны до более чем 10 миллиардов электронвольт в пределах всего 30 сантиметров, превосходя прежние достижения и обозначая важный шаг к созданию будущего коллайдера на основе плазмы.

Эта новая система в Лаборатории лазерного ускорителя в Беркли (BELLA) использует пару лазеров для управления сверхзвуковым потоком газа, что существенно увеличивает как энергию, так и качество электронных пучков. Система позволяет повысить не только уровень энергии, но и энергоэффективность, что является ключевым фактором в развитии высокоэффективных лазерно-плазменных ускорителей.

Лазерно-плазменные ускорители работают с плазмой — смесью заряженных частиц, включая электроны. Введение энергии в плазму создает мощную волну, ускоряющую электроны, подобно серферам на морской волне. Двухлазерная система использует один лазер для нагрева плазмы и создания направляющего канала, а последующий лазерный импульс точно ускоряет электроны на больших расстояниях.

Ранее исследования опирались на фиксированные по длине капилляры из стекла или сапфира. Команда из Беркли внедрила инновационную систему газовой струи, которая позволяет тонкую настройку длины плазмы и подробный анализ процессов ускорения электронов. Эти изменения позволяют значительно улучшить визуальный контроль и понимание движений лазера и волны плазмы, что критически важно для оптимизации будущих технологий.

Смотрит в будущее, исследователи из Центра BELLA намерены развивать лазерно-плазменную технологию, создавая многоступенчатые системы с возможностью достижением энергий электронов от 10 до 100 ГэВ, а потенциально и до 10 ТэВ в коллайдерах частиц. Это предусматривает соединение различных этапов с использованием последовательных лазерных импульсов, постоянно увеличивающих энергии электронов. Директор центра BELLA, Эрик Эсарей, подчеркнул важность передовых методов диагностики для обеспечения точного времени и контроля, необходимых для таких сложных систем.

Дополнительная информация

• Чем лазерно-плазменные ускорители отличаются от традиционных ускорителей частиц? - Лазерно-плазменные ускорители используют плазму для ускорения частиц, что позволяет достичь более высоких энергий на меньших расстояниях по сравнению с традиционными ускорителями, которые обычно используют большие и дорогие установки с магнитными полями и электродами.
• Какие медицинские применения могут иметь лазерно-плазменные ускорители? - В медицине они могут использоваться в радиотерапии для более точного облучения опухолей, благодаря чему возможно уменьшение повреждения окружающих тканей.

Полная версия:: Milestone 10-GeV experiment shines light on laser-plasma interactions

Новости 18-12-2024

Уравнения Эйнштейна сталкиваются с загадками Вселенной

Ускорение расширения Вселенной остается научной загадкой спустя 25 лет после его открытия. Исследователи из университетов Женевы и Тулузы III — Поль Сабатье сравнили предсказания общей теории относительности Эйнштейна с данными Дарк Энерджи Сервей. Они обнаружили небольшие расхождения, которые варьируются в зависимости от разных космических периодов, бросающих вызов надежности теории Эйнштейна за пределами нашей солнечной системы.

Теория Эйнштейна описывает Вселенную, деформированную материей, подобно гибкому листу, с гравитационными колодцами, где небесные тела изгибают траекторию света. Этот изгиб, называемый гравитационным линзированием, вызывается гравитацией, а не стеклом. Наблюдение гравитационного линзирования предоставляет ценные сведения о компонентах, истории и расширении Вселенной.

Исследователи используют данные Дарк Энерджи Сервей для понимания плотности космической материи и ускорения расширения, непосредственно измеряя искажения времени и пространства, что позволяет сравнивать их с предсказаниями Эйнштейна. Исследование показало, что гравитационные колодцы, существовавшие 6 и 7 миллиардов лет назад, совпадают с предсказаниями Эйнштейна, но выглядят немного менее глубокими в более поздние периоды.

Эти менее глубокие гравитационные колодцы ближе к настоящему времени совпадают с периодом, когда расширение Вселенной начало ускоряться. Исследователи предполагают, что оба явления — ускоряющееся расширение и замедленный рост гравитационных колодцев — могут указывать на то, что на больших масштабах действуют другие физические законы гравитации, отличные от предложенных Эйнштейном. Команда планирует дальнейший анализ данных с помощью будущего телескопа Euclid, который обеспечит более точные измерения для проверки уравнений Эйнштейна и нашего понимания расширения Вселенной.

Дополнительная информация

• Какое влияние может оказать будущий телескоп Euclid на наши знания о Вселенной и гравитации? - Телескоп Euclid предназначен для изучения тёмной материи и тёмной энергии. Он поможет выяснить, как эти загадочные вещества влияют на структуру и расширение Вселенной, что может привести к новым пониманиям природы гравитации.
• Почему ускорение расширения Вселенной остается загадкой для ученых? - Ускорение расширения Вселенной связано с тёмной энергией, природой которой ученые пока не могут точно объяснить. Это остается одной из наиболее значительных загадок современной астрофизики.

Полная версия:: Einstein's equations collide with the mysteries of the Universe

Астрофизики используют световые эхо для изучения черных дыр

Команда астрофизиков из Института перспективных исследований разработала новый метод исследования световых эхок черных дыр. Этот подход позволяет измерять массу и вращение черных дыр независимо от ранее применявшихся методов, и может предоставить прямые доказательства окружения фотонов черных дыр с помощью гравитационного линзирования.

Гравитационное линзирование изменяет траекторию света под воздействием мощной гравитации черной дыры. Это приводит к возникновению световых эхок, которые формируются при прохождении света различными путями вокруг черной дыры и могут стать базой для новых открытий в этой области. Хоть теория световых эхок черных дыр уже была предложена, пока она не имела практического подтверждения.

Джордж Н. Вонг и его соавтор Лиа Медейрос, имеющие обширный опыт в работе с Телескопом горизонта событий, разработали методику, позволяющую изолировать слабые сигналы эхо от более мощных прямых световых сигналов. Это достижение было подтверждено высокочастотными симуляциями вокруг супермассивной черной дыры, что демонстрирует ее эффективность.

Исследователи считают, что этот метод может быть применен к другим черным дырам, обеспечивая новый способ измерения их основных характеристик. Медейрос подчеркивает важность анализа этих гэков для проверки теорий тяготения Эйнштейна и выявления возможных аномалий, которые могли бы подтвердить или оспорить известные гравитационные модели.

Команда запланировала использование двух телескопов, одного на Земле и другого на орбите, для обнаружения световых эхок через длинноволновую интерферометрию. Вонг описывает планируемую миссию как скромную, но основополагающую для получения значимых данных о черных дырах. Это предоставляет практичный путь для сбора ценной информации о загадочных особенностях черных дыр.

Дополнительная информация

• Что такое световые эхок и как они могут помочь в изучении черных дыр? - Световые эхок — это явление, при котором свет от яркого события, например, вспышки вокруг черной дыры, отражается или повторно распространяется в разных направлениях из-за вещества, окружающего черную дыру. Они могут помочь ученым изучать структуру и поведение окрестностей черных дыр, анализируя задержки и изменения в этих отложенных вспышках света.
• Как гравитационное линзирование может влиять на траектории света? - Гравитационное линзирование происходит, когда массивный объект искривляет пространство-время настолько, что он отклоняет путь света, проходящего рядом. Это может вызвать такие эффекты, как увеличение или искривление изображения удаленных источников света, позволяя наблюдать объекты, которые в противном случае могли бы быть не видны.

Полная версия:: Astrophysicists use echoes of light to illuminate black holes

Новое открытие учёных изменяет представление о магнетизме.

Шагните в скрытый мир, настолько маленький, что он почти непостижим — наномасштаб. Представьте себе один волосок и уменьшите его в миллион раз, и вы окажетесь именно там. Здесь атомы и молекулы являются мастерами строительства, создавая новые свойства, которые до недавнего времени оставались неизвестными.

Исследователи Дипак Сингх и Карстен Уллрик из Колледжа искусств и наук Университета Миссури вместе со своими командами студентов и постдоков сделали революционное открытие на наномасштабе: новый тип квази-частицы, обнаруженный во всех магнитных материалах, независимо от их силы или температуры.

Эти новые свойства переворачивают всё, что учёные знали о магнетизме, показывая, что он не так статичен, как казалось ранее. Такое понимание может привести к созданию нового поколения электроники, которая станет быстрее, умнее и более энергоэффективной.

Одной из научных областей, которая может напрямую выиграть от этого открытия, является спинтроника или "спиновая электроника". Спинтроника использует естественный спин электронов, что делает её более эффективной в плане энергопотребления по сравнению с традиционной электроникой.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Ок-Риджской национальной лабораторией, где использовались мощные спектрометры. Полученные результаты были опубликованы в журнале Physical Review Research, работа поддержана грантами Министерства энергетики США. Эта работа — результат коллективных усилий различных учёных и исследовательских подразделений.

Дополнительная информация

• Что такое квази-частица и как она отличается от обычной частицы? - Квази-частица — это коллективное возбуждение в твердых телах, которое проявляет свойства обычных частиц, таких как энергия и импульс, но не является элементарной частицей в традиционном смысле.
• Какие преимущества может предоставить спинтроника в сравнении с традиционной электроникой? - Спинтроника может значительно улучшить скорость и энергоэффективность устройств, так как использует спиновые состояния электронов наряду с их зарядом.
• Какие методы используют спектрометры для изучения магнитных материалов на наномасштабе? - Спектрометры используют методы, такие как рентгеновская спектроскопия и магнитная резонансная спектроскопия, чтобы изучать свойства магнитных материалов на очень малых масштабах.

Полная версия:: New discovery by scientists redefines magnetism

Последний недостающий элемент кремниевой фотоники

Ученые из Исследовательского центра Юлих, Университета Штутгарта и Института высокопроизводительной микроэлектроники имени Лейбница, совместно с французским партнером CEA-Leti, разработали первый полупроводниковый лазер с непрерывной подачей, полностью состоящий из элементов четвертой группы периодической таблицы — "группы кремния". Лазер, построенный из ультратонких слоев кремния, германия и олова, впервые был выращен на кремниевой подложке, открывая новые возможности для встроенной фотоники на чипе.

Рост искусственного интеллекта и Интернета вещей требует все более мощного и энергоэффективного оборудования. Оптическая передача данных, способная транспортировать огромные объемы информации с минимальными потерями энергии, уже является предпочтительным методом для дистанций свыше одного метра и оказывается выгодной даже на более коротких дистанциях. Это развитие указывает на перспективу создания недорогих фотонных интегрированных схем на будущих микрочипах, что ведет к значительной экономии затрат и улучшению производительности.

В последние годы был достигнут значительный прогресс в монилитической интеграции оптически активных компонентов на кремниевых чипах, включая модуляторы, фотодетекторы и волноводы с высокой производительностью. Однако долгосрочной проблемой оставалась нехватка эффективного, электрически приводимого источника света, который использует только полупроводники группы IV. Новый лазер решает эту проблему, делая его совместимым с традиционной КМОП технологией и подходящим для бесшовной интеграции в существующие процессы по производству кремния.

Исследователи впервые продемонстрировали непрерывную работу электрически приводимого лазера группы IV на кремнии. Он работает с низким током всего в 5 миллиампер при 2 вольтах, что сопоставимо с энергопотреблением светодиода. Благодаря развитой структуре мульти-квантовых колодцев и кольцевой геометрии, лазер минимизирует потребление энергии и генерацию тепла, обеспечивая стабильную работу до 90 Кельвин.

Хотя лазер выращен на стандартных кремниевых подложках и является первым "практически используемым" лазером группы IV, требуется дальнейшая оптимизация для снижения порога генерации и достижения работы при комнатной температуре. Однако успехи ранее разработанных германия-оловянных лазеров с оптической накачкой, которые перешли от работы при криогенных температурах к комнатным, указывают на явный путь вперед.

Группа исследователей под руководством доктора Буки активно занимается разработкой сплавов группы IV на основе олова на протяжении многих лет, сотрудничая с партнерами, такими как IHP, Университет Штутгарта и другие. Уже продемонстрированы результаты для фотоники, электроники и спинтроники. Этот успех приближает к реализации концепции кремниевой фотоники как решения "все в одном" для микрочипов следующего поколения.

Дополнительная информация

• Что такое структура мульти-квантовых колодцев и как она влияет на характеристики лазера? - Мульти-квантовые колодцы состоят из нескольких тонких слоев полупроводника размещенных между более широкозонными полупроводниками. Эта структура позволяет улучшить эффективность лазеров за счет уменьшения порога генерации и увеличения скорости модуляции светового сигнала.
• Как со временем развивалась технология монолитической интеграции оптических компонентов на кремниевых чипах? - Развитие технологий началось с простых волоконно-оптических компонентов и достигло интеграции сложных фотонных цепей, включая лазеры, модуляторы и детекторы. Ключевые достижения включают создание кремниевых лазеров и приборов для обработки оптических сигналов, способных работать на высоких скоростях.
• Какие текущие ограничения и задачи стоят перед кремниевой фотоникой для дальнейших улучшений? - Текущие ограничения в кремниевой фотонике включают недостаточную эффективность генерации света в кремнии и сложность интеграции различных материалов. Запланированные улучшения связаны с развитием гибридных технологий, использующих дополнительные материалы для усиления световых свойств кремния.

Полная версия:: The last missing piece of silicon photonics

Прорыв в области фотонных временных кристаллов может изменить способы использования и управления светом.

Международная команда исследователей впервые создала реалистичные фотонные временные кристаллы, которые способны экспоненциально усиливать свет. Этот прорыв открывает захватывающие перспективы в таких областях, как связь, изображение и сенсорика, закладывая основы для более быстрых и компактных лазеров, сенсоров и других оптических устройств.

Фотонные временные кристаллы представляют собой уникальный класс оптических материалов, отличающийся от традиционных, которые имеют пространственно повторяющиеся структуры. Эти кристаллы остаются однородными в пространстве, но имеют периодические колебания во времени. Такая особенность создает «импульсные запретные зоны», где свет задерживается внутри кристалла, и его интенсивность растет экспоненциально. Чтобы понять эту необычную интерпретацию взаимодействия света с кристаллом, можно представить свет, проходящий через среду, которая миллион раз в секунду меняется между воздухом и водой.

Один из потенциальных применений фотонных временных кристаллов — это наночувствительность. Например, они могут быть использованы для обнаружения малых частиц, таких как вирусы или загрязнители, благодаря способности автоматически усиливать излучаемый свет, что улучшит детектирование с помощью существующего оборудования.

Создание фотонных временных кристаллов для видимого света стало вызовом из-за необходимости чрезвычайно быстрой, но при этом значительной амплитуды изменения свойств материалов. Команда, состоящая из исследователей из университетов Финляндии, Германии и Китая, предложила теоретический и практический подход для реализации такой технологии с использованием массивов крошечных кремниевых сфер, что позволяет наконец достичь необходимых условий для усиления света в лабораторных условиях.

Дополнительная информация

• Какие другие материалы, кроме кремния, могут быть использованы для создания фотонных временных кристаллов? - Помимо кремния, можно использовать материалы, такие как нитрид гальция и германия. Эти материалы обладают уникальными свойствами, подходящими для управления светом в фотонных устройствах.
• Как именно фотонные временные кристаллы могут изменить технологии в области связи? - Фотонные временные кристаллы могут увеличить пропускную способность и эффективность передачи данных, что открывает возможности для более быстрой и надежной связи.

Полная версия:: Breakthrough in photonic time crystals could change how we use and control light

Новости 17-12-2024

Наблюдение нового электрического поля с вихрями демонстрирует высокий потенциал для различных устройств.

Исследователи из Городского университета Гонконга и их местные партнеры обнаружили новое электрическое поле с вихрями, которое может значительно повлиять на развитие электронных, магнитных и оптических устройств. Это открытие, опубликованное в журнале Science, может улучшить работу устройств, увеличивая стабильность памяти и скорость вычислений. Более того, оно может оказать влияние на такие передовые области, как квантовые вычисления, спинтроника и нанотехнологии.

Профессор Ли Тхук Хюе объяснил, что раньше создание электрического поля с вихрями было сложным и дорогим процессом, но их исследование показало, что простое закручивание в двухслойных двумерных материалах может вызвать это поле более легко. Это заметно упрощает процедуру по сравнению с ранними практиками, требовавшими дорогих техник осаждения тонких пленок.

Команда разработала метод переноса при помощи льда, необходимый для достижения чистого интерфейса слоев. Это позволило им свободно манипулировать закрученными слоями, предоставляя большую гибкость в управлении углами наклона. Эти углы варьируются от 0 до 60 градусов, в отличие от прошлых исследований, ограниченных малыми углами.

Создание вихревого электрического поля в закрученных би-слоях также привело к образованию двумерных квазикристаллов. Такие структуры, с нерегулярной упорядоченностью, обладают низкой теплопроводностью и электрической проводимостью, что подходит для высокопрочных покрытий. Профессор Ли отметил, что различные углы наклона можно применять для стабилизации памяти, создания сверхскоростных вычислительных устройств и других применений.

В дальнейшем исследователи намерены расширить своё исследование, экспериментируя с различными материалами и слоями. Запатентовав технику переноса льда, они ожидают глобальных открытий в чистом соединении слоев без сложных процедур. Профессор Ли подчеркнул, что это исследование может стать новаторским в развитии будущих нанотехнологий и квантовых приложений.

Дополнительная информация

• Что такое спинтроника и как она связана с электрическими полями? - Спинтроника — это область электроники, в которой используется спин электронов для хранения и передачи информации, и она может взаимодействовать с электрическими полями, влияя на манипуляцию спином.
• Какие преимущества имеют двумерные квазикристаллы перед другими материалами? - Двумерные квазикристаллы могут предлагать уникальные электрические и механические свойства, а также высокую устойчивость, что делает их перспективными для использования в наноэлектронике.
• Как метод переноса при помощи льда может повлиять на будущее разработки материалов? - Метод переноса при помощи льда позволяет аккуратно манипулировать деликатными структурами, что открывает новые возможности для создания сложных многослойных материалов без разрушения их свойств.

Полная версия:: Observation of new electric field signals strong potential for assorted devices

Компактная коррекция ошибок: к более эффективному квантовому "жесткому диску"

Исследователи-квантовики Университета Сиднея Доминик Уильямсон и Ноэдэн Баспен представили новую архитектуру для управления ошибками, возникающими в работе квантовых компьютеров.

Их инновационный теоретический подход обещает не только повысить надежность хранения квантовой информации, но и значительно сократить физические ресурсы, необходимые для создания "логических кубитов" (или "квантовых переключателей", способных выполнять полезные вычисления). Это может привести к разработке более компактного "квантового жесткого диска".

В основе их теоретической архитектуры лежит трехмерная структура, позволяющая корректировать ошибки в двух измерениях. Текущая исправляющая ошибки архитектура, также построенная в 3D-системе кубитов, снижает ошибки только в одном измерении вдоль одной линии соединенных кубитов. Новое решение позволяет управлять ошибками, что значительно улучшает существующие методы.

Это исследование может повлиять на развитие квантовой вычислительной техники, так как позволяет более компактно конструировать квантовые системы памяти. Уменьшая физическую загрузку кубитов, новая разработка прокладывает путь к созданию более эффективного "квантового жесткого диска", надежно способного хранить большие объемы квантовой информации.

Квантовый теоретик и директор Nano Institute Университета Сиднея, профессор Стивен Бартлетт, отметил: "Этот прорыв может помочь трансформировать подход к созданию и эксплуатации квантовых компьютеров, сделав их более доступными и практичными для широкого спектра приложений, от криптографии до сложных симуляций квантовых систем многотел."

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеет трехмерная структура в коррекции ошибок по сравнению с традиционной архитектурой? - Трехмерная структура позволяет распределять кубиты в пространстве, увеличивая их изоляцию от ошибок и улучшая стабильность системы.
• Как логические кубиты способствуют увеличению надежности вычислений в квантовых компьютерах? - Логические кубиты объединяют несколько физических кубитов для коррекции ошибок, что делает квантовые вычисления более устойчивыми к помехам.

Полная версия:: Compact error correction: Towards a more efficient quantum 'hard drive'

Новости 16-12-2024

Исследователи обнаружили новый третий класс магнетизма, который может преобразовать цифровые устройства

Учёные впервые визуализировали новый вид магнетизма, получившего название "альтермагнетизм". Это открытие может привести к созданию новых магнитных устройств памяти, способных увеличивать скорость их работы до тысячи раз. Альтермагнетизм представляет собой уникальную форму магнитного порядка, при которой крошечные магнитные элементы выстраиваются антипараллельно своим соседям, но структура, удерживающая каждый из них, повёрнута по отношению к соседним.

Команда из Школы физики и астрономии Ноттингемского университета доказала существование этого нового третьего класса магнетизма и возможность его контроля в микроскопических устройствах. Это открытие может радикально изменить производство микропроцессоров и долговременной компьютерной памяти, что важно как для индустрии, так и для снижения углеродных выбросов. Альтермагнетические материалы могут заменить редкие и токсичные элементы, используемые в современных устройствах.

Материалы с альтермагнетическими свойствами, способны комбинировать положительные черты ферромагнетиков и антиферромагнетиков, что позволит увеличить скорость работы электронных компонентов и цифровой памяти до тысячи раз, одновременно повышая их прочность и энергоэффективность. Исследование проводилось в международном центре MAX IV в Швеции с использованием усовершенствованных техник визуализации, что позволяет создать изображение магнетизма с наноразрешением.

Физические свойства альтермагнетиков были исследованы с помощью рентгеновских лучей и электронных микроскопов, что позволило учёным впервые в мире увидеть и изучить этот эффект. Исследования, проводимые аспирантом Альфредом Далом Дином, открывают новые возможности для прикладного использования данных материалов, что, по его словам, является сложной, но весьма плодотворной задачей.

Дополнительная информация

• Как альтермагнетизм отличается от других известных видов магнетизма, таких как ферромагнетизм и антиферромагнетизм? - Альтермагнетизм отличается тем, что в таких материалах наблюдается периодическая смена направления магнетизации даже внутри одного элемента, в отличие от ферромагнетизма, где все магнитные моменты в параллель, и антиферромагнетизма, где соседние магнитные моменты анти-параллельны.
• Какие технологии и процессы реализуются в центре MAX IV для поддержки таких исследований? - В центре MAX IV используются современные синхротронные источники света, которые позволяют детализировать изучение магнитных свойств на атомном уровне, а также ряд специализированных лабораторий и инструментов для анализа.

Полная версия:: Researchers discover new third class of magnetism that could transform digital devices

Прорыв в 3D-печати устраняет три дефекта одновременно для бездефектных металлических деталей

Инженеры Университета Висконсин-Мэдисон разработали метод для снижения трех ключевых дефектов в металлических деталях, изготовленных с использованием 3D-печати. Эта технология позволяет одновременно уменьшать дефекты, такие как поры, шероховатые поверхности и крупные брызги, что делает детали более надежными и долговечными.

Использование 3D-печати продолжает набирать популярность в различных отраслях, включая аэрокосмическую, медицинскую и энергетическую сферы. Тем не менее, остаются проблемы с качеством, которые препятствуют более широкому применению. Недавнее открытие команды из Университета Висконсин-Мэдисон позволяет производить металлические детали с высокой скоростью и без потери качества, что может революционизировать отрасль.

Ключевую роль в этом достижении сыграло использование кольцевого лазерного луча, вместо традиционного гауссовского, что значительно улучшает процесс лазерного плавления порошка. Это позволило команде ускорить процесс печати, обеспечив более глубокое просвечивание без появления нестабильностей.

Для исследования поведения материалов при печати использовалась высокоскоростная рентгеновская визуализация, что позволило понять механизмы уменьшения дефектов. Сотрудничество с Национальной лабораторией Аргонне и использование их синхротронного источника рентгеновского излучения предоставили необходимые технические возможности для этой работы.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Фондом исследований выпускников Висконсина, а к проекту присоединились специалисты из различных научных областей, что подтверждает значимость и масштабность этой работы.

Дополнительная информация

• Как кольцевой лазерный луч отличается от гауссовского с точки зрения физических характеристик? - Кольцевой лазерный луч имеет профиль интенсивности в виде кольца, где энергия сосредоточена по краям, тогда как гауссовский луч имеет колоколообразное распределение интенсивности с наибольшей энергией в центре.
• Какие преимущества предоставляет высокоскоростная рентгеновская визуализация в изучении механизмов печати? - Высокоскоростная рентгеновская визуализация позволяет улавливать быстро происходящие процессы в режиме реального времени, что помогает лучше понять и оптимизировать механизмы печати.
• Какое участие принимает Национальная лаборатория Аргонне в подобных проектах и почему это важно? - Национальная лаборатория Аргонне предоставляет передовую инфраструктуру и ресурсы для проведения сложных научных исследований, что способствует значительному прогрессу в области печатных технологий.

Полная версия:: 3D-printing advance mitigates three defects simultaneously for failure-free metal parts

Новости 15-12-2024

Быстрая органическая фосфоресценция для улучшенной дисплейной технологии

Исследователи из Университета Мичигана и их международные коллеги разработали новый материал для органических светодиодов, призванный заменить тяжелые металлы в экранах. Этот новый гибридный материал сохраняет яркость цвета и контрастность, присущие OLED, одновременно исключая дорогие и экологически опасные металлы, такие как иридий и платина. Актуальная задача — достичь баланса между скоростью фосфоресценции и люминесценции, чтобы избежать "призрачного" изображения.

Новое развитие включает слой из молибдена и серы, размещённый рядом с органическим излучающим материалом, что ускоряет излучение за счёт близости, а не химической реакции. Это решение позволяет избежать слабых металлических связей, которые обычно разрываются под действием возбуждённых электронов, часто приводя к выгоранию пикселей, особенно синих, в OLED-дисплеях.

Проблема выгорания синих пикселей остаётся актуальной, и команда исследователей намерена её решить через свой новый гибридный подход. Современный рынок компенсирует этот дефект использованием менее эффективных люминесцентных синих пикселей наряду с фосфоресцентными красными и зелёными. Стабильные синие фосфоресцентные пиксели могут улучшить энергоэффективность во всех цветах спектра.

Неожиданным открытием стало обнаружение, возможно, запрещённого триплетного состояния с электонами, что вызывает вопросы о фундаментальных свойствах материала. Это аномальное состояние требует дальнейшего изучения. Учёные также заинтересованы в приложении материала для спинтроники и уже ищут партнеров для коммерциализации этой технологии. Исследование финансировалось Национальным научным фондом Кореи и другими грантами, что подчеркивает международное сотрудничество и важность данного открытого исследования в индустрии дисплеев.

Дополнительная информация

• Какое влияние могут иметь тяжелые металлы, такие как иридий и платина, на окружающую среду и здоровье человека? - Тяжелые металлы, такие как иридий и платина, могут быть токсичными для окружающей среды и здоровья человека. Они способны накапливаться в экосистемах, проникая в цепи питания, что может привести к разным заболеваниям у людей при длительном воздействии.
• Как работает принцип спинтроники и как он может быть связан с новыми материалами для дисплеев? - Спинтроника основана на использовании спинов электронов, вместо их заряда, для передачи информации. Это перспективное направление в создании более быстрых и энергоэффективных технологий, включая возможное применение в новых материалах для дисплеев.

Полная версия:: Faster organic phosphorescence for better display tech

«Сильные» фильтры: Инновационные технологии для улучшения дисплеев и оптических датчиков.

Группа исследователей из Кёльнского университета, Университета Хасселта (Бельгия) и Университета Сент-Эндрюс (Шотландия) разработала инновационную оптическую технологию на основе квантовомеханического принципа сильной светово-вещественной связи. Это достижение позволяет преодолеть давнюю проблему угловой зависимости в оптических системах. Исследование «Преодоление предела угловой дисперсии в оптике тонких плёнок с помощью ультра-сильной светово-вещественной связи», опубликованное в Nature Communications, представляет собой ультра-стабильные поляритонные фильтры, открывающие новые направления в фотонике, сенсорных технологиях, оптической визуализации и технологии дисплеев.

Оптические фильтры играют ключевую роль во многих приложениях, но их эффективность значительно снижается при изменении угла падения света – цвет передаваемого света изменяется в зависимости от угла обзора. Это снижение производительности обусловлено фундаментальными физическими принципами и может существенно повлиять на точность оптических датчиков. Международная команда нашла решение, применив принцип из квантовой механики: когда световые частицы тесно связаны с энергетическими состояниями органического материала, создаются так называемые поляритоны.

Обычные тонкоплёночные фильтры состоят из множества чередующихся прозрачных слоёв, часто из оксидов металлов, где свет частично отражается или передаётся этими слоями. Толщина слоёв определяет цвет передаваемого света через конструктивную и деструктивную интерференцию световых волн. В своей новой методике учёные интегрируют органические красители в оптические фильтры, что приводит к сильной связи света с этими красителями.

Разработанные фильтры демонстрируют исключительную угловую стабильность, показывая спектральное смещение менее 15 нм даже при экстремальных углах обзора более 80°. Комплексные многослойные конструкции также продемонстрировали максимальную пропускную способность до 98 процентов, что сопоставимо с лучшими из доступных традиционных фильтров. В сотрудничестве с группой профессора Доктора Коена Вандевала из Университета Хасселта, исследователи внедрили поляритонные фильтры в органические фотодиоды для создания узкополосных фотодетекторов.

Исследование показывает возможности для применения технологии на полимерах, перовскитах, квантовых точках и других материалах, что позволит распространять новый принцип фильтрации на ещё более широкий диапазон длин волн. Возможные области применения поляритонных фильтров включают микрооптику, дисплеи, сенсорные технологии и биофотонику. В этих областях независимость угла обзора новых фильтров может значительно упростить конструкцию оптических систем и расширить их функциональность.

Дополнительная информация

• Какие преимущества дают поляритоны в оптических технологиях по сравнению с традиционными методами? - Поляритоны могут усиливать взаимодействие света и материи, что позволяет создавать более компактные и эффективные оптические устройства, а также обеспечивает более быстрое регулирование световых сигналов.
• Как проблемы угловой зависимости могут повлиять на точность оптических датчиков в практических применениях? - Угловая зависимость может приводить к изменению характеристик световых сигналов при различных углах падения, что снижает точность измерений и требует калибровки.
• Какие конкретные применения возможно улучшить с помощью новых углостойких фильтров? - Новые углостойкие фильтры могут улучшить качество изображения в дисплеях и камерах, а также повысить точность измерений в оптических сенсорах, что полезно в области медицинских диагностик и дистанционных измерений.

Полная версия:: 'Strong' filters: Innovative technology for better displays and optical sensors

Новости 14-12-2024

Перелов сократил численность акул и скатов вдвое с 1970 года

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Science, подчеркивает резкое снижение численности хондрихтиевых рыб, включая акул, скатов и химееров, в результате перелова. Исследование показывает, что с 1970 года эти популяции сократились более чем на 50%, увеличив риск их вымирания на 19%. Перелов крупных видов в прибрежных и пелагических зонах может привести к утрате до 22% их экологических функций.

Хондрихтии представляют собой древнюю группу из более чем 1,199 видов рыб, которые всё чаще испытывают угрозу со стороны человеческой деятельности, такой как перелов, прилов, деградация среды обитания, изменение климата и загрязнение. Более одной трети этих видов сейчас угрожает вымирание. Исследователи применили водный Индекс Красного списка (RLI) для оценки статуса этих видов за последние пять десятилетий.

Профессор Николас К. Дульви из Университета Саймон Фрейзер утверждает, что упадок акул и скатов начался в реках, эстуариях и прибрежных водах, а затем распространился на океаны и глубокие моря. Сначала были истощены крупнейшие и наиболее значимые виды, такие как пилоносы и риноскаты, а затем начали добывать глубоководные виды ради их печеночного жира и мяса.

Ожидается, что уменьшение численности хондрихтиев окажет значительное воздействие на морские экосистемы и биоразнообразие. Доктор Натан Пакоро из Европейского института морских исследований подчеркивает важность этих видов как хищников, отмечая, что их сокращение разрушает пищевые цепи в океане. Скаты играют критическую роль в поиске пищи и вентилировании морских осадков, влияя на продуктивность и хранение углерода.

Несмотря на мрачные выводы, исследователи отмечают позитивные изменения в усилиях по охране акул и скатов. Профессор Колин Симпфендорфер из Университета Джеймса Кука подчеркивает, что нации могут уменьшить риски, сокращая давление от рыболовства и улучшая управление рыболовством. Некоторые страны, включая Австралию и Канаду, добились успехов в стратегиях сохранения хондрихтиев.

Дополнительная информация

• Что такое Водный Индекс Красного списка (RLI) и как он используется для оценки состояния видов? - Водный Индекс Красного списка (RLI) измеряет изменения в угрозе исчезновения различных видов со временем. Индекс используется для отслеживания долговременных трендов в статусе видового биоразнообразия в рамках отдельных регионов или по всему миру.
• Какие экологические функции утрачиваются из-за сокращения численности крупных видов акул и скатов? - Крупные акулы и скаты играют ключевую роль в морских экосистемах, в том числе регулируют популяции других видов и поддерживают здоровье рифовых экологических систем. Их сокращение может привести к нарушениям этих функций и деградации экосистем.
• Какие меры сохранения были приняты Австралией и Канадой для защиты хондрихтиев? - Австралия и Канада приняли различные меры для защиты акул и скатов, включая создание новых морских заповедников, ограничения на улов и меры по защите местообитаний, что способствует сохранению хондрихтиев.

Полная версия:: Overfishing has halved shark and ray populations since 1970

Прорыв приближает носимые устройства на энергии тепла тела к реальности

Исследовательская группа из QUT разработала ультратонкую, гибкую пленку, которая может питать носимые устройства следующего поколения, используя тепло тела, исключая необходимость в батареях. Эта технология также может использоваться для охлаждения электронных чипов, помогая смартфонам и компьютерам работать более эффективно.

Под руководством профессора Чжи-Ган Чена, чья работа была опубликована в журнале Science, исследователи преодолели значительное препятствие в создании гибких термоэлектрических устройств, которые превращают тепло тела в электричество. Этот подход предлагает потенциал устойчивого источника энергии для носимой электроники, а также эффективный метод охлаждения для чипов.

Наряду с профессором Ченом, в исследовании участвовали господин Вэньи Чен, доктор Сяо-Лей Ши, доктор Мен Ли, господин Юаньцин Мао и мисс Циньи Лю из QUT, а также ученые из Университета Квинсленда и Университета Суррея. Гибкие термоэлектрические устройства можно удобно носить на коже, эффективно превращая разницу температур между телом и окружающим воздухом в электричество.

Они также могут применяться в ограниченных пространствах, таких как компьютеры или мобильные телефоны, для охлаждения чипов и улучшения производительности. Возможные применения варьируются от персонального термоуправления до систем обогрева и вентиляции, питаемых теплом тела. Однако проблемы, такие как ограниченная гибкость, сложность производства и недостаточная производительность, мешают коммерческой реализации.

Большинство исследований в этой области сосредоточено на бизмут-теллуридных термоэлектриках. В этом исследовании команда представила экономичную технологию для создания гибких термоэлектрических пленок с использованием нанокристаллов для улучшения эффективности и гибкости. Эта технология показывает широкий потенциал для развития гибких термоэлектрических технологий.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют термоэлектрики на основе бизмут-теллурида по сравнению с другими материалами? - Термоэлектрики на основе бизмут-теллурида обладают высокой эффективностью преобразования тепла в электричество при комнатной температуре, что делает их особенно подходящими для охлаждающих и термоэлектрических генераторов.
• Какую роль играют нанокристаллы в улучшении термоэлектрической эффективности гибких пленок? - Нанокристаллы могут уменьшать теплопроводность материала, одновременно увеличивая его электрическую проводимость, что ведет к улучшению термоэлектрической эффективности.
• Существуют ли уже на рынке коммерческие устройства, работающие на энергии тепла тела? - Да, на рынке уже существуют коммерческие устройства, которые используют тепло тела для генерации электричества, такие как носимые электронные устройства, использующие термоэлектрические генераторы.

Полная версия:: Breakthrough brings body-heat powered wearable devices closer to reality

Взгляд на Солнце: распад ионов таллия-205 раскрывает историю длиной в миллионы лет

Солнце, грандиозный источник энергии, вырабатывает ее через ядерный синтез, при этом испуская нейтрино, которые помогают понять его внутренние процессы. Современные детекторы нейтрино могут наблюдать текущие активности внутри Солнца, однако вопросы о его стабильноcти на протяжении миллионов лет остаются предметом обсуждения, особенно в контексте эволюции и климатических изменений на Земле.

В поисках ответов научный проект LORandite EXperiment (LOREX), возглавляемый международной командой исследователей, сосредоточен на изучении взаимодействия солнечных нейтрино с таллием. Используя возможности экспериментального накопительного кольца GSI/FAIR в Дармштадте, ученые совершили важное измерение, проливая свет на долгосрочную стабильность Солнца. Эти результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

LOREX является единственным длительным геохимическим экспертоментом, посвящённым солнечным нейтрино. Задуманный в 1980-х, LOREX нацелен на получение среднего значения потока солнечных нейтрино на протяжении четырех миллионов лет, что соотносится с геологическим возрастом руды лорандита, используемой в эксперименте.

В Солнце нейтрино взаимодействуют с атомами таллия в лорандите, превращая их в атомы свинца, с особым акцентом на долгоживущий изотоп 205Pb, имеющий период полураспада в 17 миллионов лет. Прямая измеримость взаимодействия нейтрино с 205Tl невозможна. Однако ученые в Дармштадте разработали уникальный метод оценки необходимых ядерных физикальных величин через распад ионов 205Tl81+ в 205Pb81+.

Измерение периода полураспада полностью ионизированных ионов 205Tl81+ стало возможным благодаря уникальным возможностям ESR GSI/FAIR. Такие сложные измерения стали доступны благодаря многолетним достижениям в области технологий ускорения частиц. Результаты этих усилий способствуют улучшению понимания истории Солнца и его связи с изменениями климата на Земле на протяжении тысячелетий. Подчеркивается важный вклад, сделанный поздними исследователями, чье участие было критическим для успешного проведения этого новаторского исследования.

Дополнительная информация

• Какую роль играют нейтрино в понимании процессов внутри Солнца? - Нейтрино, образующиеся в процессе термоядерного синтеза в Солнце, помогают ученым исследовать его внутренние процессы. Они несут информацию о реакциях в ядре, поскольку могут покидать его, не взаимодействуя с веществом, что делает их ценными для изучения солнечных реакций.

Полная версия:: Eyes on the Sun: Naked thallium-205 ion decay reveals history over millions of years

Ученые нашли новый способ запутывания света и звука

Ученые из Института Макса Планка по науке о свете разработали новый метод запутывания фотонов и акустических фононов, который обещает значительные преимущества для квантовых технологий. Эти достижения особенно важны для безопасной квантовой связи и квантовых вычислений, где запутывание играет ключевую роль. Устойчивость к внешнему шуму делает эту технику особенно ценной, что позволяет применять её в более широком диапазоне условий по сравнению с традиционными методами.

Квантовое запутывание — это явление, при котором частицы становятся взаимосвязанными, так что состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Такое запутывание имеет огромное значение для квантовой оптикоакустической связи благодаря способности фотонов быстро переносить квантовую информацию. В предложенной схеме ученые запутали фотоны и фононы, используя эффект Бриллюэна-Мандельстама, что позволило значительно расширить практическую применимость метода.

Эта новая техника запутывания основана на оптическом нелинейном эффекте, который позволяет сочетать кванты с различными энергетическими масштабами. При этом фотоны и фононы проходят по одинаковым фотонным структурам, но движутся с разной скоростью, обеспечивая надёжное запутывание. Примечательно, что этот метод может работать при температуре в десятки Кельвинов, что намного выше стандартных подходов, что позволяет использовать более доступное оборудование.

Возможности реализации этой концепции в оптических волокнах или фотонных интегральных схемах делают открытие особенно интересным для современных квантовых технологий. Это может открыть новые перспективы для надежной и эффективной интеграции в квантовые системы связи и вычислений, делая их более доступными и менее затратными в долгосрочной перспективе.

Дополнительная информация

• Что такое эффект Бриллюэна-Мандельстама и как он используется в квантовой физике? - Эффект Бриллюэна-Мандельстама описывает рассеяние света на акустических волнах (фононах) в материале, что приводит к изменению частоты света. В квантовой физике этот эффект используется для исследования структурных свойств материалов, а также для манипуляции квантовыми состояниями в оптических и квантовых системах.
• Какие преимущества дает использование фононов в квантовых системах связи и вычислений? - Использование фононов в квантовых системах может повысить эффективность передачи информации и обеспечить высокую степень контроля над квантовыми состояниями. Фононы могут быть использованы для квантового хранения данных и передачи квантовой информации на большие расстояния, обеспечивая высокую степень масштабируемости и интеграции в существующую инфраструктуру.

Полная версия:: Scientists find a new way of entangling light and sound

Новости 11-12-2024

Кратковременное улучшение когнитивных функций от физических упражнений может длиться до 24 часов

Исследование, проведенное учеными из Университетского колледжа Лондона, показало, что когнитивные улучшения от физических упражнений могут сохраняться в течение следующего дня. Тестирование старших участников в возрасте от 50 до 83 лет выявило, что те, кто занимался физической активностью умеренной или высокой интенсивности, показывали лучшие результаты в тестах на память на следующий день после тренировок.

Исследование также выявило связь между уменьшением времени сидячего образа жизни, достаточным количеством сна и улучшением когнитивных показателей на следующий день. Особенно положительно на память влиял глубокий (медленноволновый) сон. Анализ данных 76 участников, которые использовали трекеры активности, позволил уточнить эту связь.

Доктор Микаэла Блумберг отметила, что положительный эффект на кратковременную память от физической активности может длиться дольше, чем предполагалось ранее, возможно, целый день. Она подчеркнула, что для получения пользы не обязательно заниматься структурированными упражнениями; простые виды активности, такие как быстрая ходьба или танцы, также способствуют улучшению памяти.

Физические упражнения улучшают кровоток в мозге и активируют нейромедиаторы, способствующие улучшению когнитивных функций. Исследование показало, что эти эффекты могут быть более длительными, чем считалось ранее. Профессор Эндрю Стептоу отметил важность сохранения когнитивной функции у пожилых людей для их благополучия и независимости.

Методология исследования включала использование носимых трекеров, которые фиксировали активность и качество сна участников вне лабораторных условий. Хотя выборка состояла из здоровых добровольцев, результаты показывают тесную связь между физическими упражнениями, высоким качеством сна и улучшением когнитивных функций в краткосрочной перспективе. Исследование представляет собой совместную работу UCL и Оксфордского университета при поддержке Экономического и социального научного совета Великобритании.

Дополнительная информация

• Какие физиологические механизмы лежат в основе влияния физической активности на когнитивные функции? - Регулярная физическая активность может улучшать когнитивные функции за счет повышения уровня нейротрофического фактора мозга (BDNF), улучшения кровообращения и пластичности мозга.
• Как измеряется уровень глубокого (медленноволнового) сна с помощью трекеров активности? - Уровень медленноволнового сна измеряется с помощью трекеров активности путем анализа движений тела и сердечного ритма в ночное время, что позволяет выделить различные фазы сна.

Полная версия:: Short-term cognitive boost from exercise may last for 24 hours

Новая генная терапия обращает вспять сердечную недостаточность в модели крупных животных

Недавно разработанная генная терапия показывает обнадеживающие результаты в лечении сердечной недостаточности и восстановлении функций сердца в модели крупных животных. Лечение увеличивает способность сердца качать кровь и значимо улучшает показатели выживаемости, что описывается как "беспрецедентное восстановление сердечных функций". Если в клинических испытаниях получится добиться схожих результатов, это может оказать значительное влияние на большое количество людей, учитывая, что каждый четвертый человек сегодня подвержен риску развития сердечной недостаточности.

В настоящее время сердечная недостаточность считается необратимой, и существующие методы лечения направлены на снижение нагрузки на сердце и замедление развития болезни. Введение этой генной терапии может кардинально изменить сложившуюся ситуацию. Путем доставки дополнительной копии гена критически важного сердечного белка в клетки сердца, терапия стремится починить и восстановить ухудшенную функцию сердца.

Исследование сосредоточилось на белке под названием cBIN1, уровни которого понижены у пациентов с сердечной недостаточностью. Доказано, что сниженные уровни cBIN1 коррелируют с высоким риском тяжелого течения болезни. Руководитель исследования Робин Шоу, врач и доктор философии, подчеркнул терапевтический потенциал восстановления cBIN1, утверждая, что его повторное введение может значимо восстановить функции сердца.

Используя безвредный вирус, обычно применяемый в генной терапии, исследователи доставили ген cBIN1 непосредственно в клетки сердца у свиней с сердечной недостаточностью. Эта система доставки позволила эффективно увеличить уровни cBIN1. Результат был впечатляющим: все свиньи, получившие терапию, пережили весь шестимесячный период испытаний, что противоречит обычному развитию заболевания, приводящему к смерти в этой модели.

В настоящее время исследователи в сотрудничестве с TikkunLev Therapeutics работают над адаптацией этой терапии для применения у людей, планируя получить одобрение FDA для клинических испытаний к 2025 году. Несмотря на обнадеживающие результаты, остаются такие проблемы, как обеспечение безопасности через тесты на токсичность и учет возможной иммунной реакции на используемый вирус. Однако исследователи остаются полны надежды благодаря значительным успехам в исследованиях на животных, что может привести к прорыву в лечении сердечной недостаточности у людей.

Дополнительная информация

• Как генная терапия обычно доставляется в клетки организма? - Генная терапия часто доставляется с использованием вирусных векторов, таких как аденовирусы или ретровирусы, которые способны инфицировать клетки и встраивать материал ДНК.
• Какие риски связаны с использованием вирусов в генной терапии? - Основные риски включают иммунные реакции организма на вирусы и потенциальные генетические изменения, которые могут привести к раковым заболеваниям.

Полная версия:: New gene therapy reverses heart failure in large animal model

Новости 10-12-2024

Инновационные наноструктуры прокладывают путь для прогрессивной робототехники и мини-динозавров

Исследователи из Нанотехнологического института Сиднейского университета достигли прорыва в молекулярной робототехнике, создавая наноструктуры с помощью ДНК-оригами. Эта инновационная техника находит применение в целевой доставке лекарств, адаптивных материалах и обработке оптических сигналов. ДНК-оригами использует естественную способность ДНК к складыванию для создания новых биологических структур.

В качестве демонстрации ученые разработали более 50 нанообъектов, включая 'нано-динозавра', 'танцующего робота' и миниатюрную карту Австралии шириной всего 150 нанометров. Эти объекты подчеркивают потенциал для создания сложных наноструктур. Исследование опубликовано в известном журнале Science Robotics.

Проект, возглавляемый доктором Минь Три Лу и доктором Шелли Уикхемом, сосредоточен на строительстве модульных "вокселей" из ДНК-оригами для создания сложных трехмерных структур. Воксели аналогичны пикселям, но являются трехмерными конструкциями. Способность быстро прототипировать эти структуры имеет важное значение для развития робототехнических систем в синтетической биологии, наномедицине и материаловедении.

Эти наноструктуры могут быть настроены на выполнение определенных функций, что важно для создания нанороботов для различных применений. Доктор Уикхем сравнивает этот процесс с конструированием игрушек Meccano или игрой в «кошачью колыбель», но на наноуровне с использованием биологических материалов. Эта технология обладает огромным потенциалом в создании адаптивных нанороботов.

Дополнительная информация

• Что такое технология ДНК-оригами и как она работает? - ДНК-оригами — это метод, который использует молекулы ДНК для создания сложных форм в наномасштабе. С помощью последовательного связывания и сгибания длинных нитей ДНК достигается формирование нужных структур.
• Какое значение имеют "воксели" для создания трехмерных наноструктур? - Воксели, подобные пикселям на изображении, представляют собой трехмерные элементы, которые служат строительными блоками для наноструктур. Они позволяют точно моделировать и создавать сложные формы на наноуровне. Полная версия:: Innovative nanostructures pave the way for advanced robotics -- and mini dinosaurs

Самый маленький шагающий робот выполняет микромасштабные измерения.

Исследователи из Корнельского университета создали самого маленького шагающего робота. Его задача — быть настолько крошечным, чтобы он мог взаимодействовать с волнами видимого света и при этом перемещаться самостоятельно. Это позволяет ему маневрировать в определенные места, например, в образце ткани, чтобы делать снимки и проводить измерения на уровне самых маленьких структур тела. Дифрактивные роботы, разработанные учеными, имеют размеры от 2 до 5 микрон, что значительно меньше предыдущего мирового рекорда в 40-70 микрон. Эти роботы управляются магнитными полями, что позволяет им перемещаться по твёрдой поверхности или "плавать" в жидкостях, осуществляя сложные движения. Интеграция передовых оптических технологий с такими возможностями маневренности и контроля позволяет связывать роботов без проводов с техниками дифракционного изображения, что является инновационным достижением. Эти исследования стали возможны благодаря поддержке Центра исследований материалов Корнельского университета, Национального научного фонда и Центра наномасштабных наук и технологий Корнельского университета. Данная разработка открывает новые горизонты в робототехнике, позволяя проводить исследование на уровнях, недостижимых для стандартных микроскопов. Полная версия:: Smallest walking robot makes microscale measurements

Новости 09-12-2024

Исследования частиц приближают нас к пониманию, почему мы здесь.

Физики надеются ответить на фундаментальные вопросы о происхождении Вселенной, изучая её мельчайшие частицы. Профессор Университета Цинциннати Александр Соуза представляет план мировых исследований нейтрино на предстоящие 10 лет. Эти частицы проходят сквозь все объекты с невероятной скоростью света.

Нейтрино образуются при ядерных реакциях в Солнце, радиоактивном распаде на Земле, а также в лабораториях. Одна из основных загадок состоит в существовании так называемого стерильного нейтрино, которое сопротивляется трем из четырех известных физики сил, взаимодействуя только с гравитацией.

Последняя статья в Journal of Physics G обсуждает аномалии в исследованиях нейтрино. Пять изданы рекомендации для Конгресса США по финансированию исследований в рамках рекомендаций Комитета по приоритетам в проекте физики частиц, и одним из разработчиков является профессор Юре Зупан.

Кроме поиска стерильных нейтрино, предстоит разбраться, почему Вселенная содержит больше материи, чем антиматерии. Исследования нейтрино могут дать ответ, и проекты, такие как DUNE в лаборатории Ферми, намерены продвинуться в этой области.

Соуза и другие исследователи участвуют в амбициозных проектах, таких как NOvA и Hyper-Kamiokande в Японии. Эти исследования помогут более точно определить массу нейтрино и понять причину их изменений. Эти проекты обещают значительные достижения в науке.

В эти международные проекты вовлечено более 170 ученых из разных институтов. Работа в команде над решением таких задач может быть сложной, но оправданной и продуктивной. Ожидается, что результаты появятся уже в 2030-х годах, продвигая наше понимание Вселенной.

Дополнительная информация

• Что такое стерильные нейтрино и какие гипотезы о них существуют? - Стерильные нейтрино — это гипотетическая частица, не участвующая в слабом взаимодействии и взаимодействующая только через гравитацию. Одной из гипотез является то, что они могут объяснить массу нейтрино и являются кандидатами в тёмную материю.
• Какие отличия имеются между экспериментами DUNE, NOvA и Hyper-Kamiokande? - DUNE фокусируется на исследовании свойств нейтрино на длинных базах, используя жидкий аргон. NOvA также изучает осцилляции нейтрино, но использует твёрдый синтетический детектор. Hyper-Kamiokande — это водно-черенковский детектор в Японии, направленный на изучение нейтринных осцилляций и поиски распада протонов.
• Как нейтрино могут помочь объяснить преобладание материи над антиматерией? - Нейтрино могут способствовать пониманию асимметрии материи и антиматерии через механизм, известный как CP-нарушение, который подразумевает различия в поведении частиц и античастиц. Полная версия:: Particle research gets closer to answering why we're here

Фотонный процессор может обеспечить сверхбыстрые вычисления ИИ с экстремальной энергоэффективностью.

Традиционные электронные системы вычисления сталкиваются с трудностями при обработке глубоких нейронных сетей из-за их значительных размеров и сложности. Фотонные процессоры, использующие свет для вычислений, обещают быть более энергосберегающим и быстрым решением. Однако некоторые вычисления таких сетей всё ещё требуют электронных компонентов, что снижает эффективность.

Исследователи из MIT и других институтов разработали новый фотонный чип, который решает эти проблемы. Они продемонстрировали процессор, способный выполнять основные вычисления глубокой нейронной сети полностью с помощью оптики. Это позволяет быстро обрабатывать машинное обучение с эффективностью, сравнимой с традиционными аппаратными средствами.

Фотонный чип, построенный из взаимосвязанных модулей, образующих оптическую нейронную сеть, создается с использованием коммерческих технологий производства. Это может облегчить масштабирование и интеграцию с существующими электронными системами. В долгосрочной перспективе используемый процессор обещает более быстрое и энергоэффективное обучение в таких областях, как лидар, астрономия, физика частиц и телекоммуникации.

Для достижения нелинейных операций на чипе были разработаны нелинейные оптические функциональные устройства (NOFUs), соединяющие электронику и оптику. Разработанный оптический глубокий нейрон выстроен на фотонном чипе с тремя уровнями устройств, обрабатывающими как линейные, так и нелинейные задачи. Это позволяет оставаться данным в оптической среде, уменьшая энергопотребление. Такие технологические прорывы обещают в будущем развитие новых алгоритмов и более эффективные системные интеграции. Dirk Englund отмечает, что эта работа изменяет подходы к вычислениям, предлагая новые архитектуры.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют фотонные процессоры перед традиционными электронными системами в конкретных приложениях, таких как лидар и телекоммуникации? - Фотонные процессоры могут передавать данные с высокой скоростью и низким энергопотреблением благодаря использованию света вместо электричества, что делает их идеальными для приложений, требующих быстрой обработки данных, таких как лидар и телекоммуникации. В телекоммуникациях они существенно увеличивают пропускную способность.
• Какие технологии производства используются для создания фотонных чипов, и как они влияют на их масштабируемость? - Для создания фотонных чипов используется кремниевая фотоника, которая применяет технологии литографии, аналогичные используемым в производстве электронных чипов. Это способствует высокой масштабируемости и интеграции с существующими производственными процессами. Полная версия:: Photonic processor could enable ultrafast AI computations with extreme energy efficiency

Новости 08-12-2024

Вдохновленный птицами дрон может прыгать для взлета

Ученые из EPFL создали дрон, способный ходить, прыгать и взлетать с помощью ног, похожих на птичьи, что значительно расширяет диапазон сред для беспилотных летательных аппаратов.

Дрон, названный RAVEN, был разработан с учетом навыков птиц, таких как вороны и грачи, которые легко переключаются между воздухом и землей. Этот инновационный подход позволил создать универсальные роботизированные ноги, позволяющие дрону самостоятельно взлетать в условиях, недоступных для обычных беспилотников с крыльями.

Проект RAVEN решает актуальные задачи робототехники, сочетающие разнообразие походок и минимальный вес. При содействии математических моделей и компьютерных симуляций были разработаны уникальные ноги, которые копируют мощные мышцы птиц, позволяя дрону перемещаться на сложных участках, прыгать и взлетать.

Испытания показали, что прыжок при взлете наиболее эффективно использует кинетическую и потенциальную энергию. Это свойство открывает новые возможности для использования дронов в инспекциях, ликвидации последствий бедствий и доставке в сложнодоступные места.

Команда EPFL работала в сотрудничестве с другими научными лабораториями, чтобы адаптировать биомеханику птиц для роботизированного передвижения. Эти исследования не только разъяснили использование мощных ног у птиц, но и предложили новый легкий дизайн для дронов.

Проект RAVEN — это всего лишь первый шаг к лучшему пониманию принципов дизайна и управления мультифункциональными летающими устройствами. Исследовательская группа уже занимается усовершенствованием конструкции для оптимизации посадки в различных условиях.

Дополнительная информация

• Какие особенности биомеханики птиц делают их ноги эффективными для прыжков и взлетов? - Ноги птиц часто имеют сильные и пружинистые сухожилия, которые позволяют быстро накапливать и освобождать энергию, что эффективно для прыжков и взлетов.
• Какие технологии используются для математического моделирования и симуляций в робототехнике? - В робототехнике широко используются такие методы, как конечные элементы анализа и динамическое моделирование на основе многочленов Лагранжа для создания сложных симуляций.
• Какие еще примеры беспилотных технологий, вдохновленных природой, существуют на сегодняшний день? - Примеры включают дроны, которые имитируют полет птиц или насекомых, а также роботов, повторяющих движения рыбы для подводной разведки. Полная версия:: Bird-inspired drone can jump for take-off

Прогнозируется, что рост продолжительности жизни в США остановится к 2050 году, ожидается ухудшение здоровья с падением глобального рейтинга страны

Согласно крупному анализу, опубликованному в The Lancet, США отстают от многих стран мира из-за постепенного снижения улучшений в области здравоохранения. Исследователи Института показателей и оценки здоровья (IHME) представили прогнозы в области здравоохранения, включая продолжительность жизни, смертность и заболеваемость более чем 350 болезней и травм до 2050 года. Анализ показывает, что США испытывают более медленный рост продолжительности жизни по сравнению с другими странами.

Прогнозируется, что продолжительность жизни в США увеличится с 78,3 лет в 2022 году до 79,9 лет в 2035 году и до 80,4 лет к 2050 году. Однако это увеличение приведёт к снижению глобального рейтинга страны с 49-го места в 2022 году до 66-го места в 2050 году среди 204 стран и территорий. Хотя смертность снизилась для нескольких основных причин смерти, прогнозы указывают на продолжение падения в международных рейтингах по ожидаемой продолжительности здоровой жизни.

Что касается гендерных различий, здоровье женщин в США ухудшается быстрее, чем здоровье мужчин. Ожидается, что здоровая продолжительность жизни женщин снизится в 20 штатах к 2050 году, в отличие от штатов, таких как Аризона и Айдахо, где изменений не предвидится. Это разрыв объясняется медленным увеличением продолжительности жизни женщин, а не значительными улучшениями в мужском здоровье.

Мировой рейтинг США по продолжительности жизни для женщин предсказывается снизится до 74-го места к 2050 году, в то время как у мужчин это будет 65-е место. Почти все страны с высоким и некоторым средним уровнем дохода обойдут США в продолжительности жизни к 2050 году. Отдельные штаты также демонстрируют ухудшение позиций, проигрывая даже другим странам.

Увеличение продолжительности жизни связано с уменьшением смертности по таким причинам, как ишемическая болезнь сердца и диабет. Тем не менее, повышение уровня ожирения значимо противодействует этим достижениям. Профессор Кристофер Дж. Л. Мюррей отмечает, что уровень ожирения достиг беспрецедентных масштабов, представляя серьёзную угрозу общественному здоровью.

В условиях этой мрачной перспективы США сталкиваются с другими проблемами, такими как резкий рост смертности от наркозависимости, в том числе опиоидов. Темпы смертности от наркотиков должны вырасти ещё на 34% к 2050 году. Профессор Али Мокдад подчёркивает необходимость более эффективных мер для преодоления текущего кризиса. В отчёте говорится, что можно предотвращать миллионы смертей, устраняя факторы риска, такие как ожирение и высокое давление, и что необходимо пересмотреть политику здравоохранения для улучшения ситуации в будущем.

Дополнительная информация

• Какие факторы могут способствовать увеличению продолжительности жизни в других странах по сравнению с США? - Такие факторы могут включать более доступную и качественную медицинскую помощь, здоровое питание, более высокий уровень физической активности, меньшее количество хронических заболеваний и лучшие социальные программы поддержки.
• Какие страны демонстрируют наиболее значительное улучшение продолжительности жизни, и что они делают для его достижения? - Среди таких стран Япония и Швейцария, где акцентируется внимание на зож, профилактике болезней, доступной медицине и поддержке здорового старения.
• Каковы основные причины роста ожирения в США, и какие меры могут быть предложены для борьбы с этой проблемой? - Ожирению способствуют факторы, такие как несбалансированное питание, недостаток физической активности и маркетинг нездоровых продуктов питания. Мерами борьбы могут быть программы пропаганды правильного питания, улучшение доступности здоровых продуктов и стимулирование физических упражнений. Полная версия:: Increases in U.S. life expectancy forecasted to stall by 2050, poorer health expected to cause nation's global ranking to drop

Новости 07-12-2024

Ближайшая сверхновая может закончить поиск темной материи.

Поиск темной материи всегда был сложной задачей для астрономов, поскольку 85% вещества во вселенной остается невидимым для телескопов. Одним из главных кандидатов на роль темной материи являются аксионы — ускользающие частицы, которые исследователи пытаются идентифицировать. Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли предполагают, что аксион может быть обнаружен после гамма-излучений от ближайшей сверхновой, если их зафиксирует Гамма-лучевой космический телескоп "Ферми".

Если аксионы существуют, они должны в изобилии производиться в первые секунды после коллапса ядра массивной звезды, превращающейся в нейтронную звезду. Эти аксионы ускользнули бы от звезды и преобразовались в высокоэнергетические гамма-лучи в магнитном поле окружающей звезды. Гамма-лучевой телескоп "Ферми", единственный гамма-лучевой телескоп на орбите, должен быть направлен на сверхновую в момент ее взрыва, чтобы обнаружить эти гамма-лучи.

Детекция гамма-излучения от такого события могла бы помочь выявить массу аксиона QCD на широком диапазоне теоретических масс. Наоборот, отсутствие обнаружения могло бы исключить множество потенциальных масс аксионов, делая текущие поиски темной материи менее актуальными. Лимит заключается в том, что сверхновые должны быть относительно близкими, то есть внутри Млечного Пути или его спутниковых галактик, где такие события происходят лишь раз в несколько десятилетий.

Последняя близкая вспышка сверхновой была в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке. В то время более старый гамма-лучевой телескоп "Солар Максимум" был нацелен на сверхновую, но не имел достаточной чувствительности для обнаружения гамма-лучей. Бенджамин Саффди, физик из Беркли, подчеркивает, что если бы подобное событие было наблюдено сегодня с современной технологией, это значительно сузило бы поиск аксионов QCD.

Исследователи из Беркли рассматривают возможность запуска флота гамма-лучевых телескопов, способных мониторить всё небо. Это обеспечит детекцию гамма-всплесков от аксионов после сверхновой. Их предложенный проект назван Инструмент для Сверхновой Axiona Галактитик, или GALAXIS. Учитывая время между вспышками сверхновых, Саффди выражает обеспокоенность по поводу пропуска возможности обнаружения аксионов, если ближайшая сверхновая произойдет неожиданно, подчеркивая важность готовности с соответствующим оборудованием для запечатления таких редких космических событий.

Дополнительная информация

• Что такое аксионы и почему они считаются кандидатами на роль темной материи? - Аксионы — это гипотетические элементарные частицы, которые могут объяснить проблему темной материи, поскольку они слабо взаимодействуют с обычной материей и могут составлять ее невидимую компоненту.
• Как гамма-лучевой телескоп "Ферми" отличается от предыдущих телескопов в обнаружении аксионов? - Телескоп "Ферми" обладает высокой чувствительностью к гамма-лучам, что позволяет ему обнаруживать аксионы через их возможное преобразование в гамма-лучи в сильных магнитных полях.
• Какие факторы влияют на частоту вспышек сверхновых в Млечном Пути и его спутниковых галактиках? - На частоту вспышек сверхновых влияют такие факторы, как звездообразование, состав галактики и наличие массивных звезд, склонных к взрывам сверхновых.

Полная версия:: A nearby supernova could end the search for dark matter

Раскрыт новый механизм "нанопереключателя", контролируемый одним атомом водорода в белке-переносчике электронов

Исследовательская группа из Японии впервые раскрыла механизм, контролирующий потенциал белка "переносчика электронов" в окислительно-восстановительной реакции, необходимой всем организмам для получения энергии. Эксперименты показали, что трехмерная структура белка вместе с атомами водорода визуализирует электронную структуру железо-серных кластеров. Было установлено, что изменение электрического потенциала кластера зависит от присутствия или отсутствия единственного атома водорода, что функционирует как "нанопереключатель". Это открытие углубит наше научное понимание биологических реакций и поможет в развитии новых сенсоров и лекарств.

Окислительно-восстановительные реакции, важные для процессов дыхания и фотосинтеза, зависят от переноса электронов и часто включают белки с железом и серой. Ферредоксин, маленький белок с железо-серными кластерами, долгое время был загадкой из-за неясностей в механизмах, стабильно переношающих электроны в живых организмах.

Исследование проводилось с использованием ибарской биологической кристаллодифрактометрии (iBIX) на японском комплексе исследований протонных ускорителей J-PARC. Было успешно достигнуто определение точной трехмерной структуры ферредоксина, включая атомы водорода. Это редкое достижение, так как визуализация водородных атомов в белках исключительно сложна и составляет лишь малую часть известной структуры белков.

Теоретические расчеты показали, что остаток аминокислоты (аспарагиновая кислота 64), находящийся вдали от железо-серного кластера, значительно влияет на вероятность переноса электрона, функционируя как переключатель для ферредоксина. Этот механизм показан как универсальный для различных организмов.

Эти результаты не только углубляют научное понимание биологических реакций, но и позволяют создать ультра-чувствительные сенсоры для кислорода и окиси азота, а также новые лекарства. Исследование было опубликовано в международном научном журнале eLife с участием профессоров из Осака и других университетов Японии.

Дополнительная информация

• Каковы функции железо-серных кластеров в биологических системах? - Железо-серные кластеры участвуют в переносе электронов и катализе в различных ферментах, например, в дыхательной цепи митохондрий, где они помогают в преобразовании энергии.
• Что такое ибарская биологическая кристаллодифрактометрия (iBIX) и как она используется в исследованиях белков? - iBIX — это метод кристаллографии, использующий нейтронное излучение для выявления структуры белков, что помогает в понимании их функций и взаимодействий.
• Как аспарагиновая кислота может влиять на перенос электронов в белках? - Аспарагиновая кислота может влиять на электрический заряд и конформацию белка, что в свою очередь может повлиять на процесс переноса электронов в ферментативных реакциях. Полная версия:: Uncovered a mystery of 'electron carrier' existing in all living organisms: Discovery of a 'nano-switch mechanism' controlled by a single hydrogen atom

Новости 06-12-2024

Доказательства существования первичных чёрных дыр могут скрываться в планетах или даже в повседневных предметах на Земле.

Первичные чёрные дыры, которые могли образоваться в хаотических условиях ранней Вселенной задолго до первых звёзд, считаются возможными кандидатами на роль тёмной материи, составляющей 85% массы Вселенной. Хотя они давно теоретизируются, до сих пор первичные чёрные дыры не были напрямую обнаружены. Новое исследование, проведённое Университетом Буффало, предлагает изучать как большие, так и малые масштабы для подтверждения их существования.

Исследование предполагает, что сигнатуры первичных чёрных дыр могут варьироваться от массивных полых планетоидов в космосе до микроскопических туннелей в материале на Земле. Примитивные чёрные дыры, захваченные внутри космических объектов, могли бы поедать их жидкие ядра, оставляя пустую оболочку. Быстро движущиеся чёрные дыры могли бы создавать видимые туннели в твёрдых веществах, что можно было бы обнаружить с помощью микроскопов.

Также исследование определяет возможные размеры стабильных полых планетоидов и вероятность прохождения чёрной дыры через объекты на Земле, утверждая, что такое столкновение не опасно для людей. Проводимые проекты поддерживаются Национальным научным фондом, и предполагается, что полые объекты не могут превышать одну десятую размера Земли.

Обнаружение таких полых объектов возможно при помощи телескопических наблюдений, анализирующих массу и плотность. На Земле черные дыры могут оставлять туннели в материалах, что станет индикатором их присутствия. Хотя вероятность пересечения с древними объектами низка, решение задачи может быть экономически целесообразным.

Заключая, авторы исследования подчёркивают важность новых теоретических рамок для решения давних проблем в физике, таких как тёмная материя. Поскольку существующие модели не приносят результатов, необходим подход, расширяющий наше понимание космоса.

Дополнительная информация

• Каковы текущие гипотезы о формировании первичных чёрных дыр в ранней Вселенной? - Одна из гипотез предполагает, что первичные чёрные дыры могли образоваться из-за плотностных флуктуаций в первых моментах после Большого Взрыва. Эти флуктуации могли быть достаточно сильными, чтобы частицы материи слипались и создавали области высокой плотности, приводя к коллапсу в чёрные дыры.
• Какие альтернативные теории объясняют феномен тёмной материи, если не учитывать первичные чёрные дыры? - Существуют различные теории, такие как гипотеза о слабовзаимодействующих массивных частицах (WIMPs), теория модифицированной ньютоновской динамики (MOND), а также концепции, связанные с аксионами и стерильными нейтрино. Эти теории пытаются объяснить гравитационные эффекты, наблюдаемые в галактиках, без привлечения видимой материи.

Полная версия:: Evidence of primordial black holes may be hiding in planets, or even everyday objects here on Earth

Проще о квантовой физике в школе

Исследователи, включая специалиста по обучению физике профессора Филиппа Битценбауэра из Лейпцигского университета, сосредоточились на кубитах – ключевых двухуровневых квантовых системах. Управление и манипуляция этими кубитами играют центральную роль в современных квантовых технологиях. Однако до настоящего времени не проводилось эмпирических исследований, изучающих эффективность подходов, использующих двухуровневые системы для развития концептуального понимания у учащихся.

По мнению Битценбауэра, образовательные концепции, сосредоточенные на двухуровневых системах, действительно более способствуют обучению, чем традиционные методы, особенно в понимании таких современных квантовых технологий, как квантовая криптография и квантовые вычисления. Эти технологии обеспечивают более высокую безопасность передачи информации и решают сложные задачи, недоступные даже для суперкомпьютеров.

Битценбауэр и его команда работают над тем, чтобы сделать революционные возможности квантовых технологий доступными школьникам. Результаты их проекта будут представлены на Глобальном саммите по физике, организованном Американским физическим обществом, который пройдет в Лос-Анджелесе в марте 2025 года.

2025 год объявлен Международным годом квантовой науки и технологий, подчеркивая важность столетия квантовой механики. Современные ученые говорят о втором квантовом революционном этапе, направленном на управление отдельными электронами и фотонами в квантовых системах. Это продолжает процесс, начатый первой квантовой революцией, и формирует основу обучения квантовой физике в школах.

Дополнительная информация

• Что такое кубиты и как они сравниваются с классическими битами? - Кубиты, в отличие от классических бит, могут находиться в состоянии суперпозиции, что позволяет им представлять одновременно 0 и 1, тогда как классические биты могут быть только 0 или 1. Это свойство делает квантовые вычисления потенциально более мощными.
• Как квантовая криптография обеспечивает более высокую безопасность по сравнению с традиционными методами шифрования? - Квантовая криптография использует принципы квантовой механики, такие как принцип неопределенности и квантовая запутанность, чтобы обеспечить защищенную передачу данных, которую невозможно перехватить без обнаружения. Полная версия:: Making quantum physics easier to digest in schools